WO2008077789A1 - Holographische projektionsvorrichtung zur vergrösserung eines sichtbarkeitsbereichs - Google Patents

Holographische projektionsvorrichtung zur vergrösserung eines sichtbarkeitsbereichs Download PDF

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Philippe Renaud-Goud
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Seereal Technologies S.A.
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    • G03H2001/2236—Details of the viewing window
    • G03H2001/2239—Enlarging the viewing window

Definitions

  • Holographic projection device for enlarging a visibility region
  • the invention relates to a holographic projection device for enlarging a visibility region for observing a reconstructed scene with at least one light modulation device and having at least one light source with sufficiently coherent light for generating a wavefront of a scene coded in the light modulation device. Furthermore, the invention also relates to a method for enlarging a visibility region with the holographic projection device.
  • a holographic reproduction device for reconstructing a three-dimensional scene is known, for example, from EP 1 467 263 A1.
  • the display device has a reflective light modulator, a beam splitter for projection of a hologram, a diaphragm, a field lens and a collimator lens.
  • the hologram is generated from three-dimensional object data by means of a computer and then displayed on the light modulator.
  • the light modulator is illuminated to reconstruct a three-dimensional scene with light from a light source via the beam splitter.
  • the reconstructed scene arises in the field of the field lens, but the scene is adversely limited in size by the field lens.
  • the viewer of the reconstructed scene has a limited freedom of movement, as a special tracking for an eye of the beholder is not disclosed. Also, there is a periodic repetition of the diffraction orders in the Fourier plane.
  • Such used spatial light modulators modulate the phase and the amplitude of the light.
  • a light modulator has over one million modulation elements, so-called pixels.
  • pixels In order to achieve a high resolution and thus a larger visibility area or a large reconstructed scene, a large number of pixels must be provided on the light modulator.
  • smaller and smaller light modulators are required.
  • the size of the Pixei can be reduced only with difficulty, a large number of pixels on the light modulator with individually controllable optical properties have hitherto not been possible or very difficult to realize from a technical point of view.
  • the projection device disclosed therein comprises a two-dimensional light modulation device a scanning system, wherein by means of a scanning element, the light scans one after the other only one-dimensional arrangement of the pixels of the light modulation device.
  • a wavefront modulated by means of the light modulation device is imaged into a virtual visibility region or else on a screen.
  • a binocular observation of the reconstructed scene is possible, but difficult to achieve.
  • DE 10 2006 024 356.0 is to be improved so that several viewers can simultaneously observe a reconstructed scene.
  • this object is achieved in that the virtual visibility area for observing the reconstructed scene can be generated by imaging the wavefront into a viewer plane, wherein the virtual visibility area has at least two virtual viewer windows that are dimensioned such that the reconstructed scene always without tracking the viewer window is observable during movement of a viewer in the observer plane.
  • the holographic projection device has at least one light source for emitting sufficiently coherent light and at least one light modulation device. Under sufficiently coherent light here light is understood, which is capable of interfering with the representation of a three-dimensional scene.
  • the light modulation device has pixels (modulation elements) in which the scene to be reconstructed is coded.
  • To watch the reconstructed scene is created for a viewer a virtual visibility area in a viewer level.
  • the virtual visibility region is to be understood as a virtual window field which is generated so large that a viewer can observe the reconstructed scene binocularly.
  • the virtual visibility region has a plurality of observer windows which advantageously adjoin one another and are dimensioned in such a way that a viewer can observe the reconstructed scene without tracking the observer window even if he is in the observer plane possibly predetermined range moves.
  • a holographic projection device by means of which a two- and / or three-dimensional scene can be reconstructed simply and quickly in as large a reconstruction area as possible.
  • the observation through the visibility region can thus be binocular for a viewer since in the visibility region a plurality of viewer windows are provided, through which a reconstructed scene is visible.
  • This multiplicity of observer windows always allows a binocular observation of the reconstructed scene, without the observer window for the respective eye having to be tracked according to a new position of the observer when the observer moves in the observer plane.
  • the need to track the observer window is thus severely limited or eliminated.
  • the means for tracking can be dispensed with in the present holographic projection device according to the invention, as a result of which the projection device is substantially simplified and can be made more compact.
  • At least one deflecting element is provided for generating the virtual visibility region with at least two observer windows.
  • the deflection element makes it possible to build up a large area of visibility from a plurality of viewer windows, in particular in a horizontal, coherent direction here.
  • a deflection is required, which in horizontal and vertical direction can deflect the light, such as an xy-galvanometer.
  • a multiplication of the visibility range by means of at least one beam splitter element can be undertaken by several observers for observation of the reconstructed scene.
  • the light is non-coherent to each other when using multiple light sources. It is particularly desirable when using multiple light sources for multiple light modulation devices that the light of these light sources is not coherent to each other, because then the light is superimposed only in its intensity and thereby almost or no interfering interference effects (speckies) occur. This significantly increases the quality of the reconstructed scene.
  • the object according to the invention is furthermore achieved by a method for increasing a virtual visibility range for an observation of a reconstructed scene, wherein in the method at least one light source emits sufficiently coherent light and the light is modulated by means of at least one light modulator, the modulated light then being transmitted via at least one Imaging element meets at least one deflection element, whereby the virtual visibility area is generated by means of the modulated light in at least one observer plane in a predetermined position, wherein in the virtual visibility area at least two observer windows are formed via a multiplexing process.
  • the light modulated by means of the at least one light modulation device generates a virtual visibility region by imaging in at least one observer plane.
  • This visibility area is magnified by multiplexing through the generation of contiguous viewer windows to allow a viewer to binocularly observe a reconstructed scene in a reconstruction area.
  • the visibility area can be generated so large that the viewer can still observe the reconstructed scene or reconstructed scenes when changing position. Tracking the observer window as known from DE 10 2006 024 356.0 is therefore no longer necessary.
  • the method for reconstructing scenes is advantageously considerably simplified when using the spatial multiplexing method, thereby enabling true real-time representation of a moving two- and / or three-dimensional scene.
  • the generation of the at least two observer windows in the virtual visibility area takes place via a time-multiplexing method.
  • the at least one light modulation device can very quickly generate the virtual viewer window in the virtual visibility region and its resolution capability is sufficiently high.
  • the number of light modulation devices for generating the viewer window can be reduced to a few or one. This simplifies the construction of the holographic projection apparatus. It is of course also possible, when using a plurality of light modulation devices, to generate or form the virtual observer windows via a spatial multiplexing method.
  • a Fourier transform of the light of the light source modulated by the at least one light modulation device is imaged onto an imaging element serving as a screen, whereby at least this imaging element images a wave front modulated by the light modulation device into the virtual visibility region.
  • the reconstruction of a Due to the discrete recording, the computer-generated hologram (CGH) is only possible to diffract within a periodicity interval of the diffraction spectrum given by the resolution of the CGH-carrying medium, namely the light modulation device. In the adjacent periodicity intervals the reconstruction is mostly repeated with disturbances.
  • the problem of the periodic continuation of the diffraction orders of the Fourier transforms is hereby solved by the Fourier transform is imaged on the screen.
  • the magnification and the size of the screen can be selected so that the periodic continuation of the diffraction orders is moved to the outside of the screen.
  • only one period is displayed on the screen.
  • a viewer of the reconstructed scene does not perceive the periodic continuation of the reconstruction in the diffraction orders.
  • the reproduction quality of the holographic projection device is significantly increased. If the wavefront were to be imaged into the observer plane as a Fourier transform of a hologram encoded in the light modulation device, the periodic continuation in the visibility region through the formation of several observer windows would disturb the observer when observing the reconstructed scene.
  • Figure 1 is a schematic representation of a known from DE 10 2006 024 356.0 scanning system showing the extension direction of the wavefronts and the light propagation direction (coherent direction);
  • FIG. 2 shows a representation of a holographic projection device known from DE 10 2006 024 356.0 with the scanning system according to FIG. 1 and a projection system;
  • Figure 3 is a schematic representation of the scanning system according to Figure 1, wherein a plurality of light sources are provided, in plan view;
  • Figure 4 is a schematic representation of the scanning system according to Figure 2, wherein a further possibility of the arrangement of the light sources is shown in plan view;
  • FIG. 5 shows a basic representation of a visibility region in one
  • FIG. 6 shows a basic representation of visibility ranges for several
  • FIG. 1 shows only a partial system of the holographic projection apparatus, wherein a beam path not folded over deflecting elements is shown.
  • the subsystem is referred to as scanning system AS and has an illumination device 1 with at least one light source 2, a scanning element 3, at least one light modulation device 4 and imaging elements 5, 6, 7, 8 and 9, wherein the Abbüdungs institute 6, 7 and 9 respectively of several can consist of individual optical elements.
  • the imaging elements 5, 6, 7, 8 and 9 may be lenses, in particular cylindrical lenses, spherical lenses, corrected cylindrical or spherical lenses, diffractive optical elements (DOE), Fresnel lenses or also mirrors or arrangements of such optical elements.
  • DOE diffractive optical elements
  • the imaging elements 5, 6, 7, 8 and 9 can also be arranged off-axis, whereby a reduction of aberrations, such as the Field curvature, can be achieved better.
  • the holographic projection device is anamorphic, ie, the imaging systems and thus also the magnifications are different in two mutually perpendicular directions of the projection device.
  • FIG. 1 shows the scanning system AS in the direction of expansion of the wavefronts and in the light propagation direction. This representation is hereinafter referred to as coherent direction.
  • the scanning system AS in the direction of scanning and the direction of light propagation is referred to as non-coherent direction and is not shown in this embodiment, since this is evident from DE 10 2006 024 356.0 and not relevant according to the invention.
  • the operation of the scanning system AS in a coherent direction is described below, as shown in FIG. It is advantageous if diffractive optical elements are used as imaging elements, since their structure and mode of operation are more suitable for aberration correction.
  • the light source 2 of the illumination device 1 emits sufficiently coherent light, which strikes the imaging element 5 for widening. Thereafter, the plane wave W passes through the imaging element 6, which is, for example, a cylindrical lens, and is focused on the scanning element 3.
  • the scanning element 3 is then imaged onto a plane 10 by means of the imaging element 7, so that the wave W focused on the scanning element 3 is focused simultaneously on this plane 10. It is possible to arrange a deflecting element, for example a mirror, in the plane 10 for folding the beam path.
  • the deflection element is to the effect when using a reflective light modulation device 4 of advantage, so that the way and the return path of the light do not overlap.
  • a deflection element can be provided for reasons of compactness even when using a transmissive light modulation device 4.
  • the wave W falls by means of the imaging element 8 as a collimated or plane wave on the light modulation device 4.
  • the light modulation device 4 is designed in this embodiment, as in the following embodiments, in particular according to Figure 1, 2 and 3, reflective, which would correspond to a folded beam path, whereby a while W with an advantageous plane wave front is reflected to a modulated wave with a wave front WF.
  • the wavefront WF thus modulated by the light modulation device 4 is then imaged into a plane 11 by means of the imaging elements 8 'and 9.
  • the imaging element 8 is used as an imaging element 8 1 .
  • the two imaging elements 8 and 8 'shown here as individual imaging elements are thus a single imaging element.
  • a Fourier transform FT is formed in a plane 10'.
  • the planes 10 and 10 ' form one and the same plane.
  • the wavefront WF then falls by means of the imaging element 9 as a collimated bundle on the plane 11. It should be noted, since the embodiment as well as the following embodiments are shown only schematically that the imaging elements 8 and 8 'represent one and the same imaging element and thus the modulated wavefront WF back to the plane 10 'is reflected.
  • the level 10 1 therefore corresponds to the level 10.
  • the holographic projection device is shown in its entirety.
  • the holographic projection device has the already mentioned scanning system AS, shown here only schematically, and a projection system PS.
  • the projection system has an imaging element 12 serving as a screen and at least one further imaging element 13.
  • the imaging element 12, hereinafter referred to as the screen may for example be a mirror, a lens or a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • the screen 12 is arranged in the image-side focal plane of the imaging element 13.
  • the imaging element 13 can be embodied as a lens, DOE 1 lens arrangement or similar optical element, in particular an arrangement of spherical and cylindrical lenses, so that there are advantageously different magnifications in a coherent and noncoherent direction.
  • the Projection system PS is also coupled to a deflection element 14, which is provided for enlarging a virtual visibility region in a viewer plane 15.
  • the deflection element 14 is arranged between two imaging elements 16 and 17 which form an afocal system.
  • the deflection element 14 can be controlled individually, advantageously embodied as a mirror element and can be, for example, a galvanometer scanner, a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) arrangement, a polygon scanner or an acousto-optical arrangement.
  • the deflector 14 may deflect in at least one direction (horizontal and / or vertical).
  • the generation of the wavefront which contains the information for the reconstruction of a three-dimensional scene, takes place within the scanning system AS as described under FIG.
  • the afocal system formed by the imaging elements 16 and 17 forms the plane 11 via the deflection element 14 into a plane 18.
  • this plane 18 is then imaged by means of the imaging element 13 in a plane 19 as a virtual image, in order then to be imaged via the screen 12 into the observer plane 15 in order to have therein a virtual observer window 21 provided for an eye virtual visibility area 20 represents to form or generate.
  • the deflection element 14 arranged in the focal plane of the imaging element 16 is imaged onto the screen 12 via the imaging elements 17 and 13.
  • the modulated wavefront WF is imaged within the scanning system AS in the plane 11 and then into the virtual observer window 21 on the eye of a viewer.
  • the Fourier transform FT of the modulated wavefront WF is simultaneously imaged onto the deflection element 14 via the imaging element 16.
  • the scanning element 3 is imaged in the plane 11 within the scanning system AS, wherein the rays are imaged after the imaging element 9 to infinity or collimated.
  • the scanning element 3 is then imaged into the virtual viewer window 21.
  • the beams are focused on the deflection element 14 and imaged on the screen by means of the imaging elements 17 and 13.
  • the imaging elements 17 and 13 can also be combined with each other to to form a single lens or a lens arrangement.
  • the above-described holographic projection apparatus has been shown and described only for an eye of an observer, and the projection apparatus may be provided for a pair of eyes of the observer when the virtual viewer window 21 is made sufficiently large, which is difficult to realize. For a pair of eyes of the beholder, however, it makes sense to provide a second light modulation device 4 for a second eye of the observer, wherein corresponding changes of the projection device are to be made.
  • the observer is now in the observer plane 15 and is looking through the virtual visibility area 20, in particular through the virtual observer window 21, he can observe the reconstructed three-dimensional scene in a reconstruction area 22, wherein the reconstructed scene in front of, on or behind the light direction Screen 12 is created.
  • a colored reconstruction of the three-dimensional scene is also possible with the holographic projection device.
  • at least one beam splitter element 23, in particular an X prism with dichroic layers, is arranged in front of the deflection element 14 in the light direction.
  • the beam splitter element 23 may also be arranged at another position in the holographic projection device.
  • the color reconstruction of the scene takes place simultaneously in the three basic colors RGB. If two completely separate light channels are provided, then two beam splitter elements 23, one beam splitter element 23 per light channel, can also be arranged in the projection system PS.
  • the holographic projection device described above in FIGS. 1 and 2 shows the observation of the reconstructed scene without a viewer in the observer level 15 moves. However, should the viewer in the observer level 15 move to another position, he can no longer observe the reconstructed three-dimensional scene without tracking the virtual visibility area 20 or in Figure 2 without tracking the virtual viewer window 21. For tracking the observer window 21, the deflecting element 14 can then serve. For this, however, additional additional optical devices, such as a position detection system, necessary, which determines the position of the eyes of the observer in the observer plane 15.
  • FIG. 3 shows a scanning system AS according to FIG. 1, the illumination device 1 having a plurality of light sources 2, in this case three light sources 2.
  • the light sources 2 are arranged parallel to one another or parallel to an optical axis OA and should advantageously not be coherent with one another for the same visibility region 20. This can be achieved, for example, by the use of different light sources, eg different lasers. This is particularly advantageous in that the light is then superimposed only in its intensity and does not interfere. Disturbing interference effects, such as speckles that significantly affect the quality of the scene, can therefore no longer occur.
  • coherently formed light sources 2 The hologram carrying the information of a scene to be reconstructed should, however, then be divided into a plurality of light modulation devices 4.
  • the construction and mode of operation of the scanning system AS basically corresponds to that described in FIG. However, at least two light modulation devices 4, in this exemplary embodiment three light modulation devices 4, are provided for enlarging the visibility region 20 and are arranged in the scanning system AS.
  • the Light modulation devices 4 are designed to be reflective, wherein the number of light sources 2 used corresponds to the number of light modulation devices for a non-colored reconstruction.
  • a large imaging element L is provided in the case of collimated beam paths. By means of this, the individual waves W can be focused on the scanning element 3 in order to scan all the light modulation devices 4 at the same time.
  • each light channel after the plane 10 has an imaging element 8, so that collimated light is incident on the respective light modulation device 4 for scanning it.
  • the projection system PS provided in the light direction according to the scanning system AS corresponds structurally to that shown and described in FIG. However, it is to provide a deflection element 14 per light modulation device 4.
  • the generation of a plurality of virtual viewer windows 21 takes place in this exemplary embodiment via a multiplex method, in this case via a spatial multiplexing method.
  • a plurality of virtual observer windows 21 are simultaneously generated or formed in the virtual visibility area 20, whereby the size of the virtual observer windows 21 can be arbitrary.
  • the virtual viewer window 21 can already be formed so large that both eyes of a viewer are included. However, it is also possible to make the virtual observer window 21 so small that two virtual observer windows 21 are needed to cover an eye pupil. In addition, a free space may be present between two virtual viewer windows 21 arranged side by side. The individual reconstructed scene is visible in each case through the individual virtual observer windows 21, but it is also conceivable that each individual observer window 21 in the visibility area 20 respectively shows the reconstructed scene from a different perspective.
  • a virtual visibility area 20 can be generated, which at the same time has at least two, in this embodiment three, virtual viewer windows 21 (not shown).
  • the modulated wavefront WF imaged in the observer plane 15 on the eyes of the beholder and the Fourier transform FT is displayed on the screen 12.
  • the screen 12 is arranged in the image-side focal plane of the imaging element 13. In this way, the periodic continuation of the diffraction orders is transmitted to the screen 12, in particular shifted to the outside of the screen 12 and so only one period of the diffraction spectrum on the screen 12 is shown.
  • the focal length of the imaging element 9 is greater than the focal length of the imaging element 7 in order to influence the size of the virtual visibility region 20 and thus to increase it. This would require only a single deflecting element 14 or a simplified deflecting element 14 in the holographic projection apparatus, since the construction of the virtual visibility region 20 from a plurality of virtual observer windows 21 only has to take place horizontally.
  • scattering elements such as scattering films or similar elements, may be arranged in a non-coherent direction in a plane imaged on the screen 12 to magnify the virtual viewer windows 21.
  • the observer can now move in the observer plane 15 in a very large visibility area 20 without the need to track the observer window 21. In this large range of motion for the observer, he can observe the reconstructed three-dimensional scene binocularly without any restrictions.
  • FIG. 4 shows a further possibility of designing the scanning system AS to increase the visibility range 20.
  • the light sources 2 of the illumination device 1 are arranged at an angle to the optical axis OA. In this way, the light can be incident or focused directly on the scanning element 3 with different angles of incidence, whereby the large imaging element L, as in FIG. 3, can be dispensed with.
  • an imaging element 5 is likewise arranged downstream of the light source 2 per light channel, the imaging element 6 serving for focusing.
  • a further difference from FIG. 3 lies in the arrangement of the light modulation devices 4. These are also designed to be reflective, but arranged parallel to one another or to the optical axis OA.
  • This Abtastsystems AS also corresponds to the Scanning system AS according to FIG. 3.
  • the projection system PS arranged below in the light direction also corresponds in its construction and the mode of operation to FIG. 2 or the above-mentioned to FIG. 3. In this way too, a large virtual visibility region 20 can be generated in the observer plane 15. wherein the virtual viewer windows 21 are also formed as in Figure 3 via a space division method.
  • the scanning AS can have a plurality of light modulation devices 4 and be configured, for example, as shown in FIGS. Care must be taken to ensure that the wavefronts WF modulated by the light modulation devices 4 and imaged in the plane 11 lie directly next to one another or adjacent to one another or at least very close to one another.
  • the difference to the other two possibilities mentioned above is that the individual scanning systems AS are independent of each other, since they are not electronically coupled with each other. This has the advantage that fewer aberrations occur, since the openings of the scanning AS are sufficiently small.
  • a time multiplex method for multiple generation of virtual viewer windows 21 in the virtual visibility area 20 may also be applied. This is particularly advantageous because the number of light modulating devices 4 can be substantially reduced to only a few.
  • temporal multiplexing it is possible to use only a single light modulation device 4, if it is very fast and its resolution is sufficiently high.
  • the individual virtual observer windows 21 are generated sequentially very quickly in the observer plane 15, resulting in an enlarged visibility region 20. Therefore, temporal multiplexing is preferable to spatial multiplexing because it keeps the holographic projection apparatus compact in its entirety and in its construction, and does not contain any additional optical elements such as light modulators, imaging elements, sensing elements etc., are to be provided. In addition, the holographic projection device is thereby less expensive.
  • FIG. 5 illustrates the screen 12 and the virtual visibility area 20 in the generation of two virtual viewer windows 21 a and 21 b in plan view.
  • the two virtual viewer windows 21 a and 21 b are thereby spatially multiplexed in the viewer plane 15 in the virtual visibility area 20 generated.
  • This means that two wavefronts WF modulated by two light modulation devices 4 are simultaneously imaged via imaging elements and the screen 12 into the virtual visibility region 20 and form therein the two virtual viewer windows 21a and 21b.
  • the two wavefronts WF are each represented by differently drawn lines (dotted and dashed). This can be done in two ways.
  • the first possibility is to encode the required wavefront directly in the light modulation device 4 and to image it in the virtual visibility region 20.
  • the second possibility envisages starting from the required observer windows 21, wherein all wavefronts of the observer windows 21 are simultaneously transformed into a hologram on a light modulator device 4.
  • the wavefronts are coded as a hologram and generated by means of an inverse transformation in the virtual visibility region 20 to the eyes of the observer.
  • the two virtual viewer windows 21a and 21b are generated or formed such that they are formed at least approximately side by side.
  • the generation can also take place in such a way that the virtual observer windows 21a and 21b overlap at least partially.
  • a free space between the formed virtual viewer windows 21a and 21b is also possible.
  • the mapping of the modulated wavefront WF into the virtual visibility region 20 is particularly advantageous because it avoids the periodic continuations in the diffraction orders that would result from reconstruction of the wavefront from a hologram encoded in the light modulation device 4.
  • the time division multiplexing method to generate the virtual viewer windows 21a and 21b or a plurality of virtual viewer windows 21, in the best case case only one light modulator unit 4 being required.
  • first the observer window 21a and then the observer window 21b are generated very quickly one after the other via the abducting element 14. However, this must be done so fast that a viewer does not perceive the successive generation or formation of the viewer window 21 a and 21 b.
  • multiple virtual viewer windows 21 can thus be generated in the virtual visibility area 20 by means of a multiplexing method, in order thus to increase the virtual visibility area 20.
  • a viewer can now change his position in the observer plane 15 and observe the reconstructed, advantageously three-dimensional, scene without restriction, without the position of the observer's eyes having to be determined in order to track the virtual observer window 21 when the observer changes position.
  • a moving scene can thus also be displayed in real time without complicated additional elements and methods simpler and faster, in particular by spatial multiplexing.
  • FIG. 6 shows only a small section of the entire holographic projection device, namely the screen 12 in conjunction with a plurality of viewer planes 150, 151, 152, 153 and 154.
  • the number of viewer planes is determined by the number of viewers or the position of the observers depending on the screen 12. For example, in the observer level 154, as described above under FIG. 6, a virtual Visibility area 20 generated.
  • the virtual visibility area 20 in the observer level 154 or in further observer levels 150, 151, 152 and 153 is duplicated.
  • the virtual visibility area 20 is multiplied by means of at least one beam splitter element (not shown), wherein at respective positions of the observer in the observer planes 150, 151, 152, 153 and 154 the respective virtual visibility area 200, 201, 202 and 203 arises. How often the virtual visibility area 20 has to be duplicated depends on the number of viewers in the observer levels 150, 151, 152, 153, 154, etc., or on the number of observers observing the reconstructed scene.
  • the at least one beam splitter element is arranged in the light direction in front of the screen 12, in particular in front of a last imaging element arranged in the light direction.
  • This means that the beam splitter element can be arranged in the light direction in front of the imaging element 13 or also between the imaging element 13 and the screen 12.
  • Other positions in the holographic projection device are also possible.
  • the at least one beam splitter element in this way multiplies the virtual visibility area 20 so often that each viewer can observe the reconstructed scene even when moving within its virtual visibility area 200, 201, 202, 203, etc.
  • the duplication of the visibility region 20 takes place by means of spatial multiplexing, wherein advantageously a plurality of beam splitter elements are arranged in the holographic projection device.
  • the beam splitter elements may be arranged, for example, in cascade with one another.
  • mirror elements are provided for beam guidance to the respective positions of the observer in the observer planes 150, 151, 152, 153 and 154. Also by means of temporal multiplexing a duplication of the visibility area 20 is possible. A tracking is therefore no longer necessary.
  • the holographic projection device it is also possible to use light modulation devices with micromirrors as modulation elements, since the micromirrors are independent of one another.
  • the computing power of a used computer device can under simple conditions and with be extended to simple means.
  • existing software can be used with adapted hardware implementation.
  • the holographic projection device with light modulation devices with micromirrors or with conventional light modulation devices can thus be realized with existing technologies.
  • Possible fields of application of the holographic projection device can be displays for a two- and / or three-dimensional representation for the home and work area, such as for television, computer, electronic games, entertainment, such as movie projections or events, the automotive industry to display information or entertainment, medical technology, in particular for minimally invasive surgery, the spatial representation of tomographic data or for military technology for the representation of terrain professionals.
  • the present holographic projection device can also be used in other areas not mentioned here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine holographische Projektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Vergrößerung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs (20, 200, 201, 202, 203) zum Beobachten einer rekonstruierten Szene mit wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung (4) und mit wenigstens einer Lichtquelle (2) mit hinreichend kohärentem Licht zum Erzeugen einer in der Lichtmodulationseinrichtung (4) kodierten Wellenfront einer Szene. Mittels Abbildung der Wellenfront in eine Betrachterebene (15, 150, 151, 152, 153, 154) ist der virtuelle Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201, 202, 203) zum Beobachten der rekonstruierten Szene erzeugbar. Der virtuelle Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201, 202, 203) weist wenigstens zwei virtuelle Betrachterfenster (21 a, 21 b) auf. Die virtuellen Betrachterfenster (21a, 21 b) sind dabei so dimensioniert, dass die rekonstruierte Szene immer ohne Nachführung der Betrachterfenster (21 a, 21 b) bei Bewegung eines Betrachters in der Betrachterebene (15, 150, 151, 152, 153, 154) beobachtbar ist.

Description

Holographische Projektionsvorrichtung zur Vergrößerung eines Sichtbarkeitsbereichs
Die Erfindung betrifft eine holographische Projektionsvorrichtung zur Vergrößerung eines Sichtbarkeitsbereichs zum Beobachten einer rekonstruierten Szene mit wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung und mit wenigstens einer Lichtquelle mit hinreichend kohärentem Licht zum Erzeugen einer in der Lichtmodulationseinrichtung kodierten Wellenfront einer Szene. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Vergrößerung eines Sichtbarkeitsbereichs mit der holographischen Projektionsvorrichtung.
Wenn die meisten Displays betrachtet werden, kann der Beobachter nur eine flache Pixelebene sehen. Es ist jedoch wünschenswert, ein Display zu betrachten und die darauf dargestellten Objekte dreidimensional, also realitätsgetreu, sehen zu können. Diesbezüglich sind bereits mehrere Wege versucht bzw. unternommen worden, um für dieses Problem eine zufriedenstellende Lösung zu finden. Eine Lösung sind volumetrische Displays, die zwar ein dreidimensionales Bild erzeugen, jedoch eine aufwendige Vorrichtung erfordern. Auch autostereoskopische Displays mit Lentikularen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese stellen jedoch kein echtes dreidimensionales Bild dar. Die zurzeit beste Möglichkeit ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, ist die Verwendung der Holographie. Die Holographie bietet ein echtes dreidimensionales Bild mit gewünschter Tiefenakkommodation (Bewegungsparallaxe usw.) und hoher Auflösung.
Eine holographische Wiedergabeeinrichtung zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene ist beispielsweise aus der EP 1 467 263 A1 bekannt. Die Wiedergabeeinrichtung weist einen reflektiven Lichtmodulator, einen Strahlteiler zur Projektion eines Hologramms, eine Blende, eine Feldlinse und eine Kollimatorlinse auf. Das Hologramm wird aus dreidimensionalen Objektdaten mittels eines Rechners erzeugt und danach auf dem Lichtmodulator dargestellt. Der Lichtmodulator wird zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene mit Licht einer Lichtquelle über den Strahlteiler beleuchtet. Die rekonstruierte Szene entsteht dabei im Bereich der Feldlinse, wobei die Szene jedoch nachteilig in ihrer Größe durch die Feldlinse begrenzt wird. Außerdem besitzt der Betrachter der rekonstruierten Szene eine eingeschränkte Bewegungsfreiheit, da eine spezielle Nachführung für ein Auge des Betrachters nicht offenbart wird. Auch kommt es zur periodischen Wiederholung der Beugungsordnungen in der Fourier-Ebene.
Derartig eingesetzte räumliche Lichtmodulatoren (SLM) modulieren die Phase und die Amplitude des Lichts. Im Allgemeinen weist ein derartiger Lichtmodulator über eine Million Modulationselemente, sogenannte Pixel, auf. Um jedoch eine hohe Auflösung und damit einen größeren Sichtbarkeitsbereich bzw. eine große rekonstruierte Szene zu erzielen, ist eine hohe Anzahl von Pixeln auf dem Lichtmodulator vorzusehen. Da die Miniaturisierung immer weiter fortschreitet, werden immer kleinere Lichtmodulatoren gefordert. Da sich jedoch die Größe der Pixei nur schwer verringern lässt, ist eine große Anzahl von Pixeln auf dem Lichtmodulator mit individuell ansteuerbaren optischen Eigenschaften jedoch bisher aus technischer Sicht nicht möglich bzw. nur sehr schwer zu realisieren.
Eine Möglichkeit zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereichs beschreibt die Veröffentlichung von K. Maeno et. al. „Electro-Holographic Display Using 15Mega Pixels LCD", Proc. SPIE Volume 2652, Seiten 15 bis 23. Dabei werden fünf Lichtmodulatoren horizontal zueinander angeordnet, wodurch die Anzahl der Pixel des Displays auf 15 Mega steigt. Durch eine derartig hohe Pixelanzahl des Displays kann somit die rekonstruierte Szene und der Sichtbarkeitsbereich vergrößert werden, so dass ein Betrachter die rekonstruierte Szene mit beiden Augen, also binokular, beobachten kann. Nachteilig an einem derartigen Display ist jedoch, dass die Lichtmodulatoren bzw. das ausgesandte Licht der Lichtmodulatoren zueinander kohärent ist, wodurch sich das kohärente Licht überlagert und somit störende Interferenzeffekte, wie Speckies, auftreten. Außerdem ist der Aufbau des Displays durch die präzise Ausrichtung von mehreren Spiegeln zur Strahlführung erschwert.
Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereichs beschreibt die noch unveröffentlichte DE 10 2006 024 356.0. Die darin offenbarte Projektionseinrichtung weist eine zweidimensionale Lichtmodulationseinrichtung in einem Abtastsystem auf, wobei mittels eines Abtastelements das Licht jeweils nacheinander nur eine eindimensionale Anordnung der Pixel der Lichtmodulationseinrichtung abtastet. Eine mittels der Lichtmodulationseinrichtung modulierte Wellenfront wird dabei in einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich oder auch auf einem Bildschirm abgebildet. Um jedoch bei Bewegung des Betrachters die rekonstruierte Szene zu beobachten, ist es notwendig den virtuellen Sichtbarkeitsbereich dem jeweiligen Auge des Betrachters nachzuführen. Eine binokulare Beobachtung der rekonstruierten Szene ist zwar möglich, aber nur schwer erreichbar.
Deshalb liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nun darin, eine holographische Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, womit die erwähnten Nachteile des Standes der Technik beseitigt und zwei- und/oder dreidimensionale Szenen durch einen großen Sichtbarkeitsbereich, insbesondere bei Bewegung eines oder mehrerer Betrachter, beobachtet werden können, ohne eine Nachführung der jeweiligen Betrachterfenster vornehmen zu müssen.
Des weiteren soll die DE 10 2006 024 356.0 dahingehend verbessert werden, dass mehrere Betrachter gleichzeitig eine rekonstruierte Szene beobachten können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mittels Abbildung der Wellenfront in eine Betrachterebene der virtuelle Sichtbarkeitsbereich zum Beobachten der rekonstruierten Szene erzeugbar ist, wobei der virtuelle Sichtbarkeitsbereich wenigstens zwei virtuelle Betrachterfenster aufweist, die derart dimensioniert sind, dass die rekonstruierte Szene immer ohne Nachführung der Betrachterfenster bei Bewegung eines Betrachters in der Betrachterebene beobachtbar ist.
Die erfindungsgemäße holographische Projektionsvorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht und wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung auf. Unter hinreichend kohärentem Licht wird hier Licht verstanden, welches interferenzfähig für die Darstellung einer dreidimensionalen Szene ist. Die Lichtmodulationseinrichtung weist Pixel (Modulationselemente) auf, in denen die zu rekonstruierende Szene kodiert ist. Zum Beobachten der rekonstruierten Szene wird für einen Betrachter ein virtueller Sichtbarkeitsbereich in einer Betrachterebene geschaffen. Der virtuelle Sichtbarkeitsbereich ist in der vorliegenden Erfindung als virtuelles Fensterfeld zu verstehen, welches derartig groß erzeugt wird, dass ein Betrachter binokular die rekonstruierte Szene beobachten kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der virtuelle Sichtbarkeitsbereich mehrere, also wenigstens zwei, vorteilhaft nebeneinander liegende Betrachterfenster aufweist, die dabei so dimensioniert sind, dass ein Betrachter die rekonstruierte Szene ohne Nachführung der Betrachterfenster auch dann beobachten kann, wenn er sich in der Betrachterebene in einem eventuell vorgegebenen Bereich bewegt.
Auf diese Weise wird eine holographische Projektionsvorrichtung geschaffen, mittels welcher eine zwei- und/oder dreidimensionale Szene einfach und schnell in einem möglichst großen Rekonstruktionsbereich rekonstruiert werden kann. Die Beobachtung durch den Sichtbarkeitsbereich kann somit für einen Betrachter binokular erfolgen, da im Sichtbarkeitsbereich mehrere Betrachterfenster vorgesehen sind, durch welche eine rekonstruierte Szene sichtbar ist. Diese Vielzahl der Betrachterfenster gestattet immer eine binokulare Beobachtung der rekonstruierten Szene, ohne dass bei Bewegung des Betrachters in der Betrachterebene das Betrachterfenster für das jeweilige Auge entsprechend einer neuen Position des Betrachters nachgeführt werden muss. Die Notwendigkeit des Nachführens des Betrachterfensters wird somit stark eingeschränkt bzw. eliminiert. Dadurch können in der vorliegenden erfindungsgemäßen holographischen Projektionsvorrichtung die Mittel zur Nachführung entfallen, wodurch die Projektionsvorrichtung wesentlich vereinfacht wird und kompakter ausgestaltet werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Erzeugung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs mit wenigstens zwei Betrachterfenstern wenigstens ein Ablenkelement vorgesehen ist. Das Ablenkelement ermöglicht den Aufbau eines großen Sichtbarkeitsbereichs aus mehreren Betrachterfenstern, insbesondere in horizontaler, hier kohärenter Richtung. Ist es jedoch notwendig, den Sichtbarkeitsbereich auch in vertikaler Richtung derart zu vergrößern, dann ist ein Ablenkelement erforderlich, welches in horizontaler und vertikaler Richtung das Licht ablenken kann, wie beispielsweise ein x-y-Galvanometer.
Von besonderem Vorteil kann sein, wenn für eine Beobachtung der rekonstruierten Szene durch mehrere Betrachter eine Vervielfältigung des Sichtbarkeitsbereichs mittels wenigstens eines Strahlteilerelements vornehmbar ist. Dies ermöglicht vorteilhaft eine holographische Projektionsvorrichtung für mehrere Betrachter, beispielsweise bei Veranstaltungen, Kinovorführungen usw., ohne dass jeder Betrachter einzeln mittels eines Positionserfassungssystem ermittelt werden muss und die jeweiligen Betrachterfenster pro Betrachter bei Bewegen desselben nachgeführt werden müssen. Auf diese Weise kann sich der Betrachter innerhalb seines großen Sichtbarkeitsbereichs bewegen. Dies vereinfacht erheblich die holographische Projektionsvorrichtung und das damit verbundene Verfahren zur Rekonstruktion einer Szene und Darstellung dieser für den bzw. die Betrachter.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist von Vorteil, wenn das Licht bei Einsatz von mehreren Lichtquellen zueinander nicht-kohärent ist. Es ist insbesondere bei Einsatz von mehreren Lichtquellen für mehrere Lichtmodulationseinrichtungen wünschenswert, dass das Licht dieser Lichtquellen zueinander nicht kohärent ist, da sich das Licht dann nur in seiner Intensität überlagert und dadurch nahezu bzw. keine störenden Interferenzeffekte (Speckies) auftreten. Dies erhöht wesentlich die Qualität der rekonstruierten Szene.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Vergrößerung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs für eine Beobachtung einer rekonstruierten Szene gelöst, wobei bei dem Verfahren wenigstens eine Lichtquelle hinreichend kohärentes Licht aussendet und das Licht mittels wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung moduliert wird, wobei danach das modulierte Licht über wenigstens ein Abbildungselement auf wenigstens ein Ablenkelement trifft, wodurch mittels des modulierten Lichts in wenigstens einer Betrachterebene in einer vorbestimmten Position der virtuelle Sichtbarkeitsbereich erzeugt wird, wobei in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich wenigstens zwei Betrachterfenster über ein Multiplexverfahren gebildet werden. Das mittels der wenigstens einen Lichtmodulationseinrichtung modulierte Licht erzeugt durch Abbildung in wenigstens eine Betrachterebene einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich. Dieser Sichtbarkeitsbereich wird mit Hilfe eines Multiplexverfahrens durch die Erzeugung von aneinander gereihten Betrachterfenstern vergrößert, um so einem Betrachter zu ermöglichen, binokular eine rekonstruierte Szene in einem Rekonstruktionsbereich zu beobachten. Der Sichtbarkeitsbereich kann so groß erzeugt werden, dass der Betrachter bei einem Positionswechsel immer noch die rekonstruierte Szene bzw. rekonstruierte Szenen beobachten kann. Ein Nachführen des Betrachterfensters wie aus der DE 10 2006 024 356.0 bekannt, ist daher nicht mehr notwendig. Das Verfahren zur Rekonstruktion von Szenen wird vorteilhaft bei Anwendung des räumlichen Multiplexverfahrens erheblich vereinfacht und dadurch eine wahre Echtzeitdarstellung einer bewegten zwei- und/oder dreidimensionalen Szene ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Erzeugung der wenigstens zwei Betrachterfenster in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich über ein Zeitmuitiplexverfahren erfolgt. Dies ist insbesondere dann von großem Vorteil, wenn die wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung sehr schnell die virtuellen Betrachterfenster in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich erzeugen kann und ihr Auflösungsvermögen hinreichend hoch ist. Auf diese Weise kann die Anzahl der Lichtmodulationseinrichtungen zur Erzeugung der Betrachterfenster auf wenige bzw. eine reduziert werden. Dadurch wird der Aufbau der holographischen Projektionsvorrichtung vereinfacht. Es ist selbstverständlich bei Einsatz von mehreren Lichtmodulationseinrichtungen auch möglich, die virtuellen Betrachterfenster über ein Raummultiplexverfahren zu erzeugen bzw. zu bilden.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn eine Fourier-Transformierte des durch die wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der Lichtquelle auf ein als Bildschirm dienendes Abbildungselement abgebildet wird, wobei wenigstens dieses Abbildungselement eine mittels der Lichtmodulationseinrichtung modulierte Wellenfront in den virtuellen Sichtbarkeitsbereich abbildet. Die Rekonstruktion eines computergenerierten Hologramms (CGH) ist wegen der diskreten Aufzeichnung beugungsbedingt nur innerhalb eines Periodizitätsintervalls des Beugungsspektrums möglich, das durch die Auflösung des CGH-tragenden Mediums, nämlich der Lichtmodulationseinrichtung, gegeben ist. In den aneinandergrenzenden Periodizitätsintervallen wird die Rekonstruktion meistens mit Störungen wiederholt. Das Problem der periodischen Fortsetzung der Beugungsordnungen der Fourier- Transformierten wird hier dadurch gelöst, indem die Fourier-Transformierte auf den Bildschirm abgebildet wird. Dabei kann der Abbildungsmaßstab und die Größe des Bildschirms so gewählt werden, dass die periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen nach außerhalb des Bildschirms verlegt wird. Somit wird nur eine Periode auf dem Bildschirm dargestellt. Auf diese Weise nimmt ein Betrachter der rekonstruierten Szene die periodische Fortsetzung der Rekonstruktion in den Beugungsordnungen nicht wahr. Dadurch wird die Wiedergabequalität der holographischen Projektionsvorrichtung deutlich erhöht. Würde die Wellenfront als Fourier-Transformierte eines in der Lichtmodulationseinrichtung kodierten Hologramms in die Betrachterebene abgebildet werden, so würde die periodische Fortsetzung im Sichtbarkeitsbereich durch die Bildung von mehreren Betrachterfenstern den Betrachter bei der Beobachtung der rekonstruierten Szene stören.
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 Rekonstruktion mit monochromatischem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch für farbige holographische Rekonstruktionen anwendbar, worauf in den jeweiligen Ausführungsbeispielen noch näher eingegangen wird.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine prinzipmäßige Darstellung eines aus der DE 10 2006 024 356.0 bekannten Abtastsystems, die die Ausdehnungsrichtung der Wellenfronten und die Lichtausbreitungsrichtung zeigt (kohärente Richtung); Figur 2 eine Darstellung einer aus der DE 10 2006 024 356.0 bekannten holographischen Projektionsvorrichtung mit dem Abtastsystem gemäß der Figur 1 und einem Projektionssystem;
Figur 3 eine prinzipmäßige Darstellung des Abtastsystems gemäß Figur 1 , wobei mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, in der Draufsicht;
Figur 4 eine prinzipmäßige Darstellung des Abtastsystems gemäß Figur 2, wobei eine weitere Möglichkeit der Anordnung der Lichtquellen in der Draufsicht dargestellt ist;
Figur 5 eine prinzipmäßige Darstellung eines Sichtbarkeitsbereichs in einer
Betrachterebene;
Figur 6 eine prinzipmäßige Darstellung von Sichtbarkeitsbereichen für mehrere
Betrachter in wenigstens einer Betrachterebene.
Im Nachfolgenden werden der Aufbau der erfindungsgemäßen holographischen Projektionsvorrichtung und die Rekonstruktion einer Szene, vorteϊlhafterweise einer dreidimensionalen Szene, beschrieben.
In der Figur 1 ist nur ein Teilsystem der holographischen Projektionsvorrichtung dargestellt, wobei ein über Ablenkelemente nichtgefalteter Strahlengang gezeigt ist. Das Teilsystem wird als Abtastsystem AS bezeichnet und weist eine Beleuchtungseinrichtung 1 mit wenigstens einer Lichtquelle 2, ein Abtastelement 3, wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung 4 und Abbildungselemente 5, 6, 7, 8 und 9 auf, wobei die Abbüdungselemente 6, 7 und 9 jeweils aus mehreren einzelnen optischen Elementen bestehen können. Die Abbildungselemente 5, 6, 7, 8 und 9 können Linsen, insbesondere zylindrische Linsen, sphärische Linsen, korrigierte zylindrische oder sphärische Linsen, diffraktive optische Elemente (DOE), Fresnel- Linsen oder auch Spiegel oder Anordnungen derartiger optischer Elemente sein. Ebenso können die Abbildungselemente 5, 6, 7, 8 und 9 auch off-axis angeordnet werden, wodurch eine Reduzierung von Aberrationen, wie beispielsweise der Bildfeldkrümmung, besser erzielt werden kann. Die holographische Projektionsvorrichtung ist anamorphotisch, d.h., dass die Abbildungssysteme und somit auch die Vergrößerungen in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen der Projektionsvorrichtung unterschiedlich sind. Die Figur 1 zeigt das Abtastsystem AS in Ausdehnungsrichtung der Wellenfronten und in Lichtausbreitungsrichtung. Diese Darstellung wird nachfolgend als kohärente Richtung bezeichnet. Das Abtastsystem AS in Richtung der Abtastung und der Lichtausbreitungsrichtung wird als nicht-kohärente Richtung bezeichnet und ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt, da dies aus der DE 10 2006 024 356.0 ersichtlich und gemäß der Erfindung nicht relevant ist.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Abtastsystems AS in kohärenter Richtung beschrieben, wie in Figur 1 dargestellt. Dabei ist es von Vorteil, wenn als Abbildungselemente diffraktive optische Elemente eingesetzt werden, da deren Aufbau und Wirkungsweise für eine Aberrationskorrektur geeigneter sind. Die Lichtquelle 2 der Beleuchtungseinrichtung 1 sendet hinreichend kohärentes Licht aus, welches auf das Abbildungselement 5 zur Aufweitung trifft. Danach durchtritt die ebene Welle W das Abbildungselement 6, welches beispielsweise eine zylindrische Linse ist, und wird auf das Abtastelement 3 fokussiert. Das Abtastelement 3 wird dann mittels des Abbildungselements 7 auf eine Ebene 10 abgebildet, so dass die auf dem Abtastelement 3 fokussierte Welle W gleichzeitig auf dieser Ebene 10 fokussiert wird. Dabei ist es möglich, in der Ebene 10 zur Faltung des Strahlengangs ein Umlenkelement, beispielsweise einen Spiegel, anzuordnen. Das Umlenkelement ist dahingehend bei Einsatz einer reflektiven Lichtmodulationseinrichtung 4 von Vorteil, damit sich der Hinweg und der Rückweg des Lichts nicht überlagern. Außerdem kann auch bei Einsatz einer transmissiven Lichtmodulationseinrichtung 4 ein derartiges Umlenkelement aus Gründen der Kompaktheit vorgesehen werden. Nach der Ebene 10 fällt die Welle W mittels des Abbildungselements 8 als kollimierte bzw. ebene Welle auf die Lichtmodulationseinrichtung 4. Die Lichtmodulationseinrichtung 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel wie auch in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, insbesondere gemäß Figur 1 , 2 und 3, reflektiv ausgestaltet, was einem gefalteten Strahlengang entsprechen würde, wodurch eine Weile W mit einer vorteilhaft ebenen Wellenfront zu einer modulierten Welle mit einer Wellenfront WF reflektiert wird. Die somit durch die Lichtmodulationseinrichtung 4 modulierte Wellenfront WF wird dann mittels der Abbildungselemente 8' und 9 in eine Ebene 11 abgebildet. Bei der wie hier reflektiv ausgeführten Lichtmodulationseinrichtung 4 wird das Abbildungselement 8 als Abbildungselement 81 benutzt. Die beiden hier als einzelne Abbildungselemente dargestellten Abbildungselemente 8 und 8' sind somit ein einziges Abbildungselement. Dies gilt allerdings nur für reflektiv ausgeführte Lichtmodulationseinrichtungen 4. Gleichzeitig entsteht bei der Abbildung der modulierten Wellenfront WF durch das Abbildungselement 8' (= 8) eine Fourier- Transformierte FT in einer Ebene 10'. Bei einer reflektiv ausgeführten Lichtmodulationseinrichtung 4 bilden die Ebenen 10 und 10' ein und dieselbe Ebene. Die Wellenfront WF fällt dann mittels des Abbildungselements 9 als kollimiertes Bündel auf die Ebene 11. Es ist zu beachten, da das Ausführungsbeispiel wie auch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele nur schematisch dargestellt sind, dass die Abbildungselemente 8 und 8' ein und dasselbe Abbildungselement darstellen und somit die modulierte Wellenfront WF zurück zu der Ebene 10' reflektiert wird. Die Ebene 101 entspricht daher der Ebene 10.
Die Wirkungsweise des Abtastsystems AS in nicht-kohärenter Richtung wird hier nicht beschrieben, da dies aus der DE 10 2006 024 356.0 eindeutig hervorgeht.
In Figur 2 ist die holographische Projektionsvorrichtung in ihrer Gesamtheit dargestellt. Die holographische Projektionsvorrichtung weist das bereits erwähnte Abtastsystem AS, hier nur schematisch dargestellt, und ein Projektionssystem PS auf. Das Projektionssystem weist ein als Bildschirm dienendes Abbildungselement 12 und wenigstens ein weiteres Abbildungselement 13 auf. Das Abbildungselement 12, im nachfolgenden als Bildschirm bezeichnet, kann beispielsweise ein Spiegel, eine Linse oder ein diffraktives optisches Element (DOE) sein. Der Bildschirm 12 ist dabei in der bildseitigen Brennebene des Abbildungselements 13 angeordnet. Das Abbildungselement 13 kann als Linse, DOE1 Linsenanordnung oder ähnliches optisches Element, insbesondere eine Anordnung aus sphärischen und zylindrischen Linsen, ausgeführt sein, damit vorteilhafterweise in kohärenter und nicht-kohärenter Richtung unterschiedliche Vergrößerungen vorliegen. Das Projektionssystem PS ist außerdem mit einem Ablenkelement 14 gekoppelt, welches zur Vergrößerung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs in einer Betrachterebene 15 vorgesehen ist. Das Ablenkelement 14 ist dabei zwischen zwei Abbildungselementen 16 und 17 angeordnet, die ein afokales System bilden. Das Ablenkelement 14 ist individuell ansteuerbar, vorteilhaft als Spiegelelement ausgeführt und kann beispielsweise ein Galvanometer-Scanner, eine MEMS (Micro- Electro-Mechanical-Systems)-Anordnung, ein Polygonscanner oder eine akusto- optische Anordnung sein. Ebenso kann das Ablenkelement 14 in wenigstens einer Richtung (horizontal und/oder vertikal) ablenken. Die Erzeugung der Wellenfront, welche die Information zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene enthält, erfolgt innerhalb des Abtastsystems AS wie unter Figur 1 beschrieben. Deshalb wird in Figur 2 nur die Rekonstruktion innerhalb des Projektionssystems PS beschrieben. Das aus den Abbildungselementen 16 und 17 gebildete afokale System bildet die Ebene 11 über das Ablenkelement 14 in eine Ebene 18 ab. Diese Ebene 18 wird danach gemäß Figur 2 mittels des Abbildungselements 13 in eine Ebene 19 als virtuelles Bild abgebildet, um dann über den Bildschirm 12 in die Betrachterebene 15 abgebildet zu werden, um in dieser ein für ein Auge vorgesehenes virtuelles Betrachterfenster 21 , welches somit einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 darstellt, zu bilden bzw. zu erzeugen. Gleichzeitig wird das in der Brennebene des Abbildungselements 16 angeordnete Ablenkelement 14 über die Abbildungselemente 17 und 13 auf den Bildschirm 12 abgebildet. In kohärenter Richtung wird also die modulierte Wellenfront WF innerhalb des Abtastsystems AS in die Ebene 11 und dann in das virtuelle Betrachterfenster 21 auf das Auge eines Betrachters abgebildet. Die Fourier-Transformierte FT der modulierten Wellenfront WF wird dabei gleichzeitig über das Abbildungselement 16 auf das Ablenkelement 14 abgebildet. In nicht-kohärenter Richtung (nicht dargestellt) ist innerhalb des Abtastsystems AS das Abtastelement 3 in die Ebene 11 abgebildet, wobei die Strahlen nach dem Abbildungselement 9 ins Unendliche abgebildet bzw. kollimiert werden. Das Abtastelement 3 wird dann in das virtuelle Betrachterfenster 21 abgebildet. Gleichzeitig werden die Strahlen auf dem Ablenkelement 14 fokussiert und mittels der Abbildungselemente 17 und 13 auf den Bildschirm abgebildet.
Die Abbildungselemente 17 und 13 können auch miteinander kombiniert werden, um eine Einzellinse oder auch eine Linsenanordnung zu bilden. Die oben beschriebene holographische Projektionsvorrichtung wurde nur für ein Auge eines Betrachters dargestellt und beschrieben, wobei die Projektionsvorrichtung auch für ein Augenpaar des Betrachters vorgesehen werden kann, wenn das virtuelle Betrachterfenster 21 hinreichend groß ausgebildet wird, was jedoch schwierig zu realisieren ist. Für ein Augenpaar des Betrachters ist es aber sinnvoll, eine zweite Lichtmodulationseinrichtung 4 für ein zweites Auge des Betrachters vorzusehen, wobei entsprechende Veränderungen der Projektionsvorrichtung vorzunehmen sind. Befindet sich der Betrachter nun in der Betrachterebene 15 und blickt durch den virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20, hier insbesondere durch das virtuelle Betrachterfenster 21 , so kann er die rekonstruierte dreidimensionale Szene in einem Rekonstruktionsbereich 22 beobachten, wobei die rekonstruierte Szene in Lichtrichtung vor, auf oder hinter dem Bildschirm 12 entsteht.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene ist mit der holographischen Projektionsvorrichtung ebenfalls möglich. Dafür ist wenigstens ein Strahlteilerelement 23, insbesondere ein X-Prisma mit dichroitischen Schichten, in Lichtrichtung vor dem Ablenkelement 14 angeordnet. Das Strahlteilerelement 23 kann auch an einer anderen Position in der holographischen Projektionsvorrichtung angeordnet sein. Die farbige Rekonstruktion der Szene erfolgt dabei simultan in den drei Grundfarben RGB. Wenn zwei vollkommen getrennte Lichtkanäle vorgesehen sind, dann können auch zwei Strahlteilerelemente 23, jeweils ein Strahlteilerelement 23 pro Lichtkanal, in dem Projektionssystem PS angeordnet werden.
Es ist selbstverständlich auch eine sequentielle farbige Rekonstruktion der Szene möglich. Für eine derartige Rekonstruktion wird eine, vorteilhafterweise farbige, Lichtquelle 2 mit hinreichender Kohärenz und eine Schalteinrichtung benötigt, um die einzelnen monochromatischen Grundfarben RGB nacheinander anzuschalten. Auf diese Weise können die farbigen Rekonstruktionen nacheinander erzeugt werden.
Die oben beschriebene holographische Projektionsvorrichtung in den Figuren 1 und 2 zeigt die Beobachtung der rekonstruierten Szene, ohne dass sich ein Betrachter in der Betrachterebene 15 bewegt. Sollte sich jedoch der Betrachter in der Betrachterebene 15 an eine andere Position bewegen, so kann er ohne Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs 20 bzw. in Figur 2 ohne Nachführung des virtuellen Betrachterfensters 21 die rekonstruierte dreidimensionale Szene nicht weiter beobachten. Zur Nachführung des Betrachterfensters 21 kann dann das Ablenkelement 14 dienen. Dafür sind jedoch weitere zusätzliche optische Einrichtungen, wie z.B. ein Positionserfassungssystem, notwendig, welches die Position der Augen des Betrachters in der Betrachterebene 15 bestimmt.
Eine Möglichkeit zur Beobachtung der rekonstruierten dreidimensionalen Szene ohne Nachführung des Betrachterfensters 21 in der Betrachterebene 15 bei Positionswechsel des Betrachters liegt in der Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereichs 20. Dafür sind in den Figuren 3 und 4 Möglichkeiten dargestellt.
In Figur 3 ist ein Abtastsystem AS gemäß Figur 1 dargestellt, wobei die Beleuchtungseinrichtung 1 mehrere Lichtquellen 2, in diesem Falle drei Lichtquellen 2, aufweist. Die Lichtquellen 2 sind dabei parallel zueinander bzw. parallel zu einer optischen Achse OA angeordnet und sollten vorteilhafterweise nicht kohärent zueinander für den gleichen Sichtbarkeitsbereich 20 sein. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von verschiedenen Lichtquellen, z.B. verschiedene Laser, erreicht werden. Das ist insbesondere dahingehend von Vorteil, da sich das Licht dann nur in seiner Intensität überlagert und nicht interferiert. Störende Interferenzeffekte, wie beispielsweise Speckies, die die Qualität der Szene wesentlich beeinflussen, können somit nicht mehr auftreten. Es ist natürlich auch möglich, kohärent zueinander ausgebildete Lichtquellen 2 einzusetzen. Das die Information einer zu rekonstruierenden Szene tragende Hologramm sollte dann aber auf mehrere Lichtmodulationseinrichtungen 4 aufgeteilt sein. Der Aufbau und die Wirkungsweise des Abtastsystems AS entspricht dabei grundsätzlich dem in Figur 1 beschriebenen. Es sind jedoch wenigstens zwei Lichtmodulationseinrichtungen 4, in diesem Ausführungsbeispiel drei Lichtmodulationseinrichtungen 4, zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereichs 20 vorgesehen und in dem Abtastsystem AS angeordnet. Die Lichtmodulationseinrichtungen 4 sind hierbei reflektiv ausgeführt, wobei die Anzahl der eingesetzten Lichtquellen 2 der Anzahl der Lichtmodulationseinrichtungen für eine nichtfarbige Rekonstruktion entspricht. Um die einzelnen, von den Lichtquellen 2 ausgesandten Wellen W nach der Aufweitung durch das jeweilige Abbildungselement 5 bzw. 6 zu vereinen, ist ein großes Abbildungselement L bei kollimierten Strahlengängen vorgesehen. Mittels diesem können die einzelnen Wellen W auf dem Abtastelement 3 fokussiert werden, um alle Lichtmodulationseinrichtungen 4 gleichzeitig abzutasten. Da die Lichtmodulationseinrichtungen 4 dabei unter einem Winkel zu der optischen Achse OA anzuordnen sind, ist es erforderlich, dass jeder Lichtkanal nach der Ebene 10 ein Abbildungselement 8 aufweist, damit kollimiertes Licht auf die jeweilige Lichtmodulationseinrichtung 4 zur Abtastung dieser fällt. Das in Lichtrichtung nach dem Abtastsystem AS vorgesehene Projektionssystem PS entspricht vom Aufbau her dem unter Figur 2 dargestellten und beschriebenen. Es ist jedoch pro Lichtmodulationseinrichtung 4 ein Ablenkelement 14 vorzusehen. Die Erzeugung von mehreren virtuellen Betrachterfenstern 21 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über ein Multiplexverfahren, hier über ein Raummultiplexverfahren. Es werden somit gleichzeitig mehrere virtuelle Betrachterfenster 21 in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 erzeugt bzw. gebildet, wobei die Größe der virtuellen Betrachterfenster 21 beliebig sein kann. Das heißt, das virtuelle Betrachterfenster 21 kann bereits derart groß gebildet werden, dass beide Augen eines Betrachters enthalten sind. Es ist aber auch möglich, das virtuelle Betrachterfenster 21 derart klein auszubilden, dass zwei virtuelle Betrachterfenster 21 benötigt werden, um eine Augenpupille zu überdecken. Zwischen zwei nebeneinander angeordneten virtuellen Betrachterfenstern 21 kann außerdem ein freier Raum vorhanden sein. Durch die einzelnen virtuellen Betrachterfenster 21 ist jeweils die komplette rekonstruierte Szene sichtbar, wobei es aber auch denkbar ist, dass jedes einzelne virtuelle Betrachterfenster 21 in dem Sichtbarkeitsbereich 20 jeweils die rekonstruierte Szene aus einer anderen Perspektive zeigt.
Auf diese Weise kann ein virtueller Sichtbarkeitsbereich 20 erzeugt werden, der gleichzeitig wenigstens zwei, in diesem Ausführungsbeispiel drei, virtuelle Betrachterfenster 21 (nicht dargestellt) aufweist. Dadurch wird der virtuelle Sichtbarkeitsbereich 20 im Vergleich zu Figur 2 wesentlich vergrößert, wobei nun ein binokulares Beobachten der rekonstruierten dreidimensionalen Szene ermöglicht wird. Von besonders großem Vorteil ist, dass die modulierte Wellenfront WF in die Betrachterebene 15 auf die Augen des Betrachters abgebildet und die Fourier- Transformierte FT auf den Bildschirm 12 abgebildet wird. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Bildschirm 12 in der bildseitigen Brennebene des Abbildungselements 13 angeordnet ist. Auf diese Weise wird die periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen auf den Bildschirm 12 übertragen, insbesondere nach außerhalb des Bildschirms 12 verlagert und so nur eine Periode des Beugungsspektrums auf dem Bildschirm 12 dargestellt. Dies bedeutet, dass ein Betrachter die periodische Fortsetzung der Rekonstruktion in den Beugungsordnungen nicht wahrnimmt. Wenn die Wellenfront WF als Hologramm in der Lichtmodulationseinrichtung 4 kodiert ist, dann würde die Fourier-Transformierte FT in die Betrachterebene 15 und die modulierte Wellenfront WF auf den Bildschirm 12 abgebildet werden. In diesem Fall würden dann bei der Erzeugung von mehreren virtuellen Betrachterfenstern 21 in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 die periodischen Fortsetzungen der einzelnen Rekonstruktionen erheblich bei der Beobachtung der rekonstruierten dreidimensionalen Szene stören. Außerdem ist von großem Vorteil, dass bei einem derart großen mit mehreren Betrachterfenstern 21 ausgebildeten Sichtbarkeitsbereich 20 hintereinander liegende Punkte einer rekonstruierten Szene, also Punkte der Szene in unterschiedlichen Schnittebenen, kodierungsbedingt gleiche Helligkeit bzw. Sichtbarkeit aufweisen. Alle Punkte erscheinen gleich hell und deutlich erkennbar bzw. sichtbar. So ist nicht ein Punkt deutlich und der andere verschwommen sichtbar, wie es bei einem einzelnen dem Sichtbarkeitsbereich entsprechenden großen Betrachterfenster der Fall ist. Dadurch wird erheblich die Beobachtung und Erkennung der rekonstruierten Szene erschwert. Da der erfindungsgemäße Sichtbarkeitsbereich 20 mehrere kleine Betrachterfenster 21 aufweist, kann demnach die bisher eingesetzte Kodierung weiter verwendet und der oben erwähnte kodierungsbedingte Nachteil vermieden werden.
Ebenso von Vorteil wäre, wenn das von den Lichtquellen 2 ausgesandte Licht flächenhaft auf die Ebene 11 trifft, wodurch das jeweilige virtuelle Betrachterfenster 21 in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 in nicht-kohärenter Richtung vergrößert werden kann. Das bedeutet, je breiter die auftreffende Wellenfront in nichtkohärenter Richtung auf der Ebene 11 ist, desto größer wird der virtuelle Sichtbarkeitsbereich 20 in nicht-kohärenter Richtung. Deshalb ist es von Vorteil, wenn die Brennweite des Abbildungselements 9 größer als die Brennweite des Abbildungselements 7 ist, um die Größe des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs 20 zu beeinflussen und somit zu vergrößern. Dies würde nur ein einzelnes Ablenkelement 14 bzw. ein vereinfachtes Ablenkelement 14 in der holographischen Projektionsvorrichtung erfordern, da der Aufbau des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs 20 aus mehreren virtuellen Betrachterfenstern 21 nur horizontal erfolgen muss.
Zusätzlich können streuende Elemente, wie beispielsweise Streufolien oder ähnliche Elemente, zur Vergrößerung der virtuellen Betrachterfenster 21 in nicht-kohärenter Richtung in einer auf den Bildschirm 12 abgebildeten Ebene angeordnet sein.
Der Betrachter kann sich nun in der Betrachterebene 15 in einem sehr großen Sichtbarkeitsbereich 20 bewegen, ohne das Erfordernis des Nachführens des Betrachterfensters 21. In diesem großen Bewegungsbereich für den Betrachter kann dieser die rekonstruierte dreidimensionale Szene binokular ohne jegliche Einschränkungen beobachten.
Figur 4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung des Abtastsystems AS zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereichs 20. Jedoch sind in diesem Ausführungsbeispiel die Lichtquellen 2 der Beleuchtungseinrichtung 1 unter einem Winkel zu der optischen Achse OA angeordnet. Auf diese Weise kann das Licht direkt mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das Abtastelement 3 fallen bzw. fokussiert werden, wodurch das große Abbildungselement L wie in Figur 3 entfallen kann. Zur Aufweitung des Lichts ist ebenfalls pro Lichtkanal ein Abbildungselement 5 nach der Lichtquelle 2 angeordnet, wobei das Abbildungselement 6 zur Fokussierung dient. Ein weiterer Unterschied zu Figur 3 liegt in der Anordnung der Lichtmodulationseinrichtungen 4. Diese sind ebenfalls reflektiv ausgeführt, aber parallel zueinander bzw. zu der optischen Achse OA angeordnet. Der allgemeine Aufbau und die Wirkungsweise dieses Abtastsystems AS entspricht ebenfalls dem Abtastsystem AS gemäß Figur 3. Das in Lichtrichtung nachfolgend angeordnete Projektionssystem PS entspricht in seinem Aufbau und der Wirkungsweise ebenfalls der Figur 2 bzw. dem oben erwähntem zu Figur 3. Auch auf diese Weise kann ein großer virtueller Sichtbarkeitsbereich 20 in der Betrachterebene 15 erzeugt werden, wobei die virtuellen Betrachterfenster 21 ebenfalls wie in Figur 3 über ein Raummultiplexverfahren gebildet werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereichs 20 in der Betrachterebene 15 liegt darin, wenigstens zwei Abtastsysteme AS miteinander zu kombinieren. Die Abtastsysteme AS können dabei mehrere Lichtmodulationseinrichtungen 4 aufweisen und beispielsweise wie unter den Figuren 3 und 4 ausgestaltet sein. Dabei ist darauf zu achten, dass die durch die Lichtmodulationseinrichtungen 4 modulierten und in die Ebene 11 abgebildeten Wellenfronten WF direkt nebeneinander bzw. einander angrenzend oder wenigstens sehr nah beieinander liegen. Der Unterschied zu den beiden anderen, oben erwähnten Möglichkeiten liegt darin, dass die einzelnen Abtastsysteme AS unabhängig voneinander sind, da sie nicht elektronisch miteinander gekoppelt sind. Dies hat den Vorteil, dass weniger Aberrationen auftreten, da die Öffnungen der Abtastsysteme AS hinreichend klein sind.
Neben einem räumlichen Multiplexing, wie unter den Figuren 3 und 4 beschrieben, kann auch ein Zeitmultiplexverfahren zur mehrfachen Erzeugung von virtuellen Betrachterfenstern 21 in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 angewandt werden. Das ist besonders vorteilhaft, da die Anzahl an Lichtmodulationseinrichtungen 4 wesentlich, auf nur einige reduziert werden kann. Beim zeitlichen Multiplexing ist es möglich, nur eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 4 einzusetzen, wenn diese sehr schnell und ihr Auflösungsvermögen hinreichend hoch ist. Die einzelnen virtuellen Betrachterfenster 21 werden sequentiell sehr schnell in der Betrachterebene 15 erzeugt, so dass sich ein vergrößerter Sichtbarkeitsbereich 20 ergibt. Daher ist das zeitliche Multiplexing einem räumlichen Multiplexing vorzuziehen, da dadurch die holographische Projektionsvorrichtung in ihrer Gesamtheit bzw. in ihrem Aufbau kompakt bleibt und keine zusätzlichen optischen Elemente, wie Lichtmodulationseinrichtungen, Abbildungselemente, Abtastelemente usw., vorzusehen sind. Außerdem ist die holographische Projektionsvorrichtung dadurch weniger kostenintensiv.
Eine genauere Darstellung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs 20 ist in Figur 5 gezeigt. Die Figur 5 stellt dabei den Bildschirm 12 und den virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 bei der Erzeugung von zwei virtuellen Betrachterfenstern 21 a und 21 b in der Draufsicht dar. Die beiden virtuellen Betrachterfenster 21a und 21 b werden dabei über das Raummultiplexverfahren in der Betrachterebene 15 im virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 erzeugt. Das bedeutet, dass zwei, von zwei Lichtmodulationseinrichtungen 4 modulierte Wellenfronten WF gleichzeitig über Abbildungselemente und den Bildschirm 12 in den virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 abgebildet werden und in diesem die beiden virtuellen Betrachterfenster 21a und 21 b bilden. Die beiden Wellenfronten WF sind jeweils durch unterschiedlich gezeichnete Linien (gepunktet und gestrichelt) dargestellt. Dies kann über zwei Möglichkeiten erfolgen. Die erste Möglichkeit besteht darin, die geforderte Wellenfront direkt in der Lichtmodulationseinrichtung 4 zu kodieren und in den virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 abzubilden. Die zweite Möglichkeit sieht vor, von den geforderten Betrachterfenstern 21 auszugehen, wobei alle Wellenfronten der Betrachterfenster 21 gleichzeitig in ein Hologramm auf einer Lichtmodulationseinrichtung 4 transformiert werden. Somit werden die Wellenfronten als Hologramm kodiert und mittels einer Rücktransformation in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 auf die Augen des Betrachters erzeugt.
Die beiden virtuellen Betrachterfenster 21a und 21 b werden dabei derart erzeugt bzw. gebildet, dass sie wenigstens annähernd nebeneinander gebildet werden. Die Erzeugung kann auch derart geschehen, dass die virtuellen Betrachterfenster 21a und 21 b sich wenigstens teilweise überlappen. Auch ein freier Raum zwischen den gebildeten virtuellen Betrachterfenstern 21a und 21 b ist möglich. Wie bereits oben erwähnt, ist die Abbildung der modulierten Wellenfront WF in den virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 besonders vorteilhaft, da dadurch die periodischen Fortsetzungen in den Beugungsordnungen vermieden werden, wie sie bei einer Rekonstruktion der Wellenfront aus einem in der Lichtmodulationseinrichtung 4 kodierten Hologramm entstehen würden. Sind mehr als zwei Betrachterfenster 21 erforderlich, dann sind ebenfalls mehr als zwei Lichtmodulationseinrichtungen 4 vorzusehen, wobei entsprechend wie oben beschrieben die Betrachterfenster 21 erzeugt werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, über das Zeitmultiplexverfahren die virtuellen Betrachtθrfenster 21a und 21 b bzw. mehrere virtuelle Betrachterfenster 21 zu erzeugen, wobei im günstigsten Fall nur eine Lichtmodulationseinrichtung 4 erforderlich ist. Bezüglich Figur 5 wird dann zuerst das Betrachterfenster 21 a und danach das Betrachterfenster 21 b über das Abienkelement 14 sehr schnell nacheinander erzeugt. Dies muss jedoch derart schnell erfolgen, dass ein Betrachter die nacheinander erfolgende Erzeugung bzw. Bildung der Betrachterfenster 21 a und 21 b nicht wahrnimmt.
Auf diese Weise können somit mittels eines Multiplexverfahrens mehrere virtuelle Betrachterfenster 21 in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 erzeugt werden, um demzufolge den virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 zu vergrößern. Dadurch kann nun ein Betrachter in der Betrachterebene 15 seine Position wechseln und die rekonstruierte, vorteilhaft dreidimensionale, Szene einschränkungslos beobachten, ohne dass die Position der Augen des Betrachters bestimmt werden muss, um bei Positionswechsel des Betrachters das virtuelle Betrachterfenster 21 nachzuführen. Außerdem kann somit auch eine bewegte Szene in Echtzeit ohne komplizierte zusätzliche Elemente und Verfahren einfacher und schneller, insbesondere durch räumliches Multiplexing, dargestellt werden.
Die oben beschriebenen Ausgestaltungen der holographischen Projektionsvorrichtung beziehen sich jeweils nur auf die Beobachtung der rekonstruierten dreidimensionalen Szene durch einen Betrachter. Die holographische Projektionsvorrichtung für mehrere Betrachter ohne die Notwendigkeit des Nachführens des Betrachterfensters 21 bei einem Positionswechsel vorzusehen, ist in Figur 6 dargestellt. Die Figur 6 zeigt nur einen kleinen Ausschnitt der gesamten holographischen Projektionsvorrichtung, nämlich den Bildschirm 12 in Verbindung mit mehreren Betrachterebenen 150, 151 , 152, 153 und 154. Die Anzahl der Betrachterebenen ist dabei von der Anzahl der Betrachter bzw. von der Position der Betrachter zu dem Bildschirm 12 abhängig. Beispielsweise wird in der Betrachterebene 154, wie oben unter Figur 6 beschrieben, ein virtueller Sichtbarkeitsbereich 20 erzeugt. Für eine Beobachtung der rekonstruierten Szene durch mehrere Betrachter wird der virtuelle Sichtbarkeitsbereich 20 in der Betrachterebene 154 bzw. in weitere Betrachterebenen 150, 151 , 152 und 153 vervielfältigt. Der virtuelle Sichtbarkeitsbereich 20 wird dabei mittels wenigstens eines Strahlteilerelements (nicht dargestellt) vervielfältigt, wobei an entsprechenden Positionen der Betrachter in den Betrachterebenen 150, 151 , 152, 153 und 154 der jeweilige virtuelle Sichtbarkeitsbereich 200, 201 , 202 und 203 entsteht. Wie oft der virtuelle Sichtbarkeitsbereich 20 vervielfältigt werden muss, ist von der Anzahl der Betrachter in den Betrachterebenen 150, 151 , 152, 153, 154, usw. bzw. von der Anzahl die rekonstruierte Szene beobachtenden Betrachter abhängig. Das wenigstens eine Strahlteilerelement ist in Lichtrichtung vor dem Bildschirm 12, insbesondere vor einem in Lichtrichtung angeordneten letzten Abbildungselement angeordnet. Das bedeutet, dass das Strahlteilerelement in Lichtrichtung vor dem Abbildungselement 13 oder auch zwischen dem Abbildungselement 13 und dem Bildschirm 12 angeordnet sein kann. Auch andere Positionen in der holographischen Projektionsvorrichtung sind möglich. Das wenigstens eine Strahlteilerelement vervielfältigt auf diese Weise den virtuellen Sichtbarkeitsbereich 20 derart oft, dass jeder Betrachter auch bei Bewegung innerhalb seines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs 200, 201 , 202, 203, usw. die rekonstruierte Szene beobachten kann. Die Vervielfältigung des Sichtbarkeitsbereichs 20 erfolgt mittels des räumlichen Multiplexing, wobei vorteilhaft mehrere Strahlteilerelemente in der holographischen Projektionsvorrichtung angeordnet sind. Dazu können die Strahlteilerelemente beispielsweise kaskadenförmig zueinander angeordnet sein. Zur Strahlführung an die jeweiligen Positionen der Betrachter in den Betrachterebenen 150, 151 , 152, 153 und 154 sind Spiegelelemente vorgesehen. Auch mittels zeitlichem Multiplexing ist eine Vervielfältigung des Sichtbarkeitsbereichs 20 möglich. Eine Nachführung ist somit nicht mehr erforderlich.
Für die erfindungsgemäße holographische Projektionsvorrichtung ist es ebenso möglich, Lichtmodulationseinrichtung mit Mikrospiegeln als Modulationselemente einzusetzen, da die Mikrospiegel voneinander unabhängig sind. Die Rechenleistung einer eingesetzten Rechnereinrichtung kann unter einfachen Bedingungen und mit einfachen Mitteln erweitert werden. Außerdem kann mit angepasster Hardware- Implementierung bereits existierende Software genutzt werden. Die holographische Projektionseinrichtung mit Lichtmodulationseinrichtungen mit Mikrospiegeln oder mit konventionellen Lichtmodulationseinrichtungen kann somit mit bereits vorhandenen Technologien realisiert werden.
Mögliche Einsatzgebiete der holographischen Projektionsvorrichtung können Displays für eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich sein, wie beispielsweise für Fernsehen, Computer, elektronische Spiele, den Unterhaltungsbereich, wie beispielsweise Filmprojektionen oder Veranstaltungen, die Automobilindustrie zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, der Medizintechnik, hier insbesondere für die minimal-invasive Chirurgie, die räumliche Darstellung tomographisch gewonnener Daten oder auch für die Militärtechnik zur Darstellung von Geländeprofiien. Selbstverständlich kann die vorliegende holographische Projektionsvorrichtung auch in anderen, hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Holographische Projektionsvorrichtung zur Vergrößerung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs zum Beobachten einer rekonstruierten Szene mit wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung und mit wenigstens einer
Lichtquelle mit hinreichend kohärentem Licht zum Erzeugen einer in der Lichtmodulationseinrichtung kodierten Wellenfront einer Szene, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Abbildung der Wellenfront in eine Betrachterebene (15, 150, 151 , 152, 153, 154) der virtuelle Sichtbarkeitsbereich (20,200,201 ,202,203) zum Beobachten der rekonstruierten Szene erzeugbar ist, wobei der virtuelle Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) wenigstens zwei virtuelle Betrachterfenster (21a, 21 b) aufweist, die derart dimensioniert sind, dass die rekonstruierte Szene immer ohne Nachführung der Betrachterfenster (21a, 21 b) bei Bewegung eines Betrachters in der Betrachterebene (15, 150, 151 , 152, 153, 154) beobachtbar ist.
2. Holographische Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs (20,
200, 201 , 202, 203) mit wenigstens zwei Betrachterfenstern (21 A, 21 B) wenigstens ein Ablenkelement (14) vorgesehen ist.
3. Holographische Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Beobachtung der rekonstruierten Szene durch mehrere Betrachter eine Vervielfältigung des Sichtbarkeitsbereichs (20, 200,
201 , 202, 203) mittels wenigstens eines Strahlteilerelements vornehmbar ist.
4. Holographische Projektionsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strahlteilerelement in Lichtrichtung vor einem Bildschirm (12), insbesondere vor einem in Lichtrichtung angeordneten letzten Abbildungselement (13), angeordnet ist.
5. Holographische Projektionsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von mehreren Sichtbarkeitsbereichen (20, 200, 201 , 202, 203) kaskadenförmig zueinander angeordnete
Strahlteilerelemente vorgesehen sind.
6. Holographische Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel zueinander angeordnete Lichtquellen (2) zur Erzeugung von in mehreren Lichtmodulationseinrichtungen (4) kodierten Wellenfronten (WF) vorgesehen sind, wobei den mehreren Lichtquellen (2) ein Abbildungselement (L) zugeordnet ist.
7. Holographische Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unter einem Winkel zueinander angeordnete Lichtquellen (2) zur Erzeugung von in mehreren Lichtmoduiationseinrichtungen (4) kodierten Wellenfronten (WF) vorgesehen sind.
8. Holographische Projektionsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht bei Einsatz von mehreren Lichtquellen (2) zueinander nicht kohärent ist.
9. Holographische Projektionsvorrichtung nach Anspruch 3, zum holographischen Rekonstruieren von Szenen zur Beobachtung durch mehrere Betrachter, insbesondere für Filmprojektionen im Unterhaltungsbereich.
10. Verfahren zur Vergrößerung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs für eine Beobachtung einer rekonstruierten Szene, bei dem wenigstens eine Lichtquelle (2) hinreichend kohärentes Licht aussendet und das Licht mittels wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung (4) moduliert wird, wobei danach das modulierte Licht über wenigstens ein Abbildungselement (8', 9, 16) auf wenigstens ein Ablenkelement (14) trifft, wodurch das modulierte Licht in wenigstens einer Betrachterebene {15, 150, 151 , 152, 153, 154) in einer vorbestimmten Position den virtuellen Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) erzeugt, wobei in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202,
203) wenigstens zwei Betrachterfenster (21a, 21 b) über ein Multiplexverfahren gebildet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Beobachtung der rekonstruierten Szene durch mehrere Betrachter der virtuelle Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) in der wenigstens einen Betrachterebene (15, 150, 151 , 152, 153, 154) vervielfältigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der virtuelle Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) mittels wenigstens eines Strahlteilerelements vervielfältigt wird und an entsprechenden Positionen der Betrachter in der wenigstens einen Betrachterebene (15, 150, 151 , 152, 153,
154) der jeweilige virtuelle Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) entsteht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der wenigstens zwei Betrachterfenster (21a, 21 b) in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) über ein
Raummultiplexverfahren oder ein Zeitmultiptexverfahren erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Betrachterfenster (21a, 21 b) derart in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) erzeugt werden, dass sie sich wenigstens teilweise überlappen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Betrachterfenster (21a, 21b) derart in dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 , 202, 203) erzeugt werden, dass sie wenigstens annähernd nebeneinander gebildet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fourier-Transformierte (FT) des durch die wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung (4) modulierten Lichts der Lichtquelle (2) auf ein als Bildschirm dienendes Abbildungselement (12) abgebildet wird, wobei wenigstens dieses Abbildungselement (12) eine mittels der Lichtmodulationseinrichtung (4) modulierte Wellenfront (WF) in den virtuellen Sichtbarkeitsbereich (20, 200, 201 ,
202, 203) abbildet.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine farbige Rekonstruktion der Szene simultan in den drei Grundfarben erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine farbige Rekonstruktion der Szene sequentiell in den drei Grundfarben erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine rekonstruierte dreidimensionale Szene, insbesondere eine rekonstruierte bewegte dreidimensionale Szene, dargestellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die rekonstruierte dreidimensionale Szene in Echtzeit dargestellt wird.
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