WO2008142000A1 - Holographisches rekonstruktionssystem mit einer nachführung der rekonstruktion - Google Patents

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WO2008142000A1
WO2008142000A1 PCT/EP2008/055982 EP2008055982W WO2008142000A1 WO 2008142000 A1 WO2008142000 A1 WO 2008142000A1 EP 2008055982 W EP2008055982 W EP 2008055982W WO 2008142000 A1 WO2008142000 A1 WO 2008142000A1
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hologram
light
eye
eye position
reconstruction system
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PCT/EP2008/055982
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Bo Kroll
Armin Schwerdtner
Jean-Christophe Olaya
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Seereal Technologies S.A.
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Definitions

  • the invention relates to a holographic reconstruction system in which a propagating modulated lightwave field that propagates to at least one eye of a viewer reconstructs a scene three-dimensionally and makes it visible to the eye.
  • the system has spatial light modulation means, an eye finder and a position control to align the propagating modulated light wave field with the holographic reconstruction to the eye position of at least one observer and to track the position of the eye position.
  • the invention relates to means for adjusting the axial distance of the eye position from the reconstruction system.
  • the invention is applicable regardless of the manner in which the holographic information is provided and can also be used for reconstruction systems which at the same time provide a plurality of viewers with a holographically reconstructed video scene for viewing.
  • Applicant has already disclosed various holographic reconstruction systems that reconstruct a scene three-dimensionally with a propagating modulated lightwave array that aligns a wavetable tracking with at least one eye of an observer.
  • a modulated wave field arises, which after a Fourier transformation with a converging lens L reconstructs the object light points of the scene in the space in front of the focal plane FL.
  • the converging lens L ensures that the light emanating from all parts of the video loop does not pass through the visibility area undefined.
  • each hologram part could holographically reconstruct the entire scene depending on the viewing angle, only the angular range under which the object can be viewed decreases.
  • the object light point lies in a diffraction interval in line with all parasitic light points.
  • the lightwave cones of all reconstructed light points OP + 1, OPO and OP-1 spread so marwinklig that in a visibility range VR, which is defined in the focal plane FL by the diffraction order used for reconstructing, also light from adjacent light waves cones of the parasitic light points OP +1 and OP-1 appear, so that these points of light are visible.
  • This disorder can not be removed by filtering.
  • small object elements of the scene are used for encoding the light modulator means, preferably discrete object light points, which the reconstruction system separately reconstructs.
  • a non-subscribed computerized hologram processor means reduces the coded area of the light modulator SLM according to its spatial position in front of the visibility area VR and the size of the visibility area VR to a hologram area HO.
  • the visibility range is therefore only in a diffraction order.
  • each hologram area HO Area size of each hologram area. That is, both the axial distance d1 of the object light spot OPO and the distance d2 of the focal plane to the light modulator SLM define the area of the hologram area HO.
  • each hologram area HO is defined in position and size by imaginary connecting areas from the visibility area VR through the point concerned to the modulator area of the light modulator.
  • optical tracking means are relatively expensive and have optical elements which sensitively deform the propagating wave field before reconstructing the scene.
  • the optical tracking means guide the modulated wave field at an oblique angle of incidence, which depends on the current eye position, which can deviate significantly from the optical axis of the components. Therefore, aberrations and run-time errors occur with variable proportions.
  • this system uses a very high-resolution light modulator SLM and always encodes the current hologram only in an eye position-dependent variable light modulator area with a limited number of modulator cells.
  • An eye finder determines for the control means of the system both the eye position and the details of the scene that the viewer is currently viewing. This defines the control means in the Data of the current video hologram, the modulator cells, which contribute to the reconstruction of these details considered, and calculate the Kodierska for the light modulator area depending on the line of sight of the viewer's eyes to the display screen.
  • the highest priority system control calculates the calculation values for the defined modulator cells. From this, the system forms a corresponding system exit pupil that reconstructs these details.
  • the remainder of the reconstructed object which the viewer can not currently view or view from the eye position, calculates and updates the low priority system controller and / or less frequently.
  • the system controller In accordance with the pupil position of the observer's eye, the system controller simultaneously changes the shape, size and position of the corresponding exit pupil.
  • the simulated object appears in a relatively small, three-dimensional polyhedron lying around the focal plane FL of the playback optics.
  • Object of the present invention is, with a low mechanical and optical effort, a free movement of the head of a viewer to any eye position within a Nach Published Schlauer Avenues both laterally and axially to allow the optical light exit axis of the reconstruction system.
  • the system should avoid the use of additional, especially large-area optical components, which represent an additional source of error for optical aberrations in the position change of observer eyes.
  • the invention is based on a holographic reconstruction system which, with at least one interference-propagating propagating lightwave field modulated with a sequence of video holograms, three-dimensionally holographically reconstructs the visual appearance of a scene.
  • the reconstruction system includes hologram processor means which calculate the sequence of video holograms of holographic information about the scene to be holographically reconstructed.
  • the hologram processor means discretely encodes a cell structure of modulator cells containing the spatial light modulation means.
  • a holographic information is the description of structured arranged object elements of the scene, such as element color and element brightness.
  • the object elements are discrete object highlight points of the scene, but may also be image segments known by image processing technology.
  • the hologram processor means define each object element a discrete hologram region in the cell structure and define the extent and location for the hologram region depending on data on object position of the object element in the scene.
  • the hologram processor means calculates coding data from the holographic information and the object position data from the associated object element, thereby encoding the cell structure.
  • each hologram region modulates a partial light wave of the interfering light wave field, so that all modulated partial light waves separately reconstruct their associated object elements and then propagate as a light wave cone to a visibility region.
  • the holographic reconstruction system also includes control means equipped with eye position data, the eye finding means from the eye at least one observer to align all modulated partial light waves to a current eye position. This ensures that all the lightwave cones in the visibility area make the completely reconstructed scene visible and track the eye position when moving the head,
  • the holographic reconstruction system solves the above-described problem with means according to the invention in that, in addition to the holographic information and the object position data from the associated object element, the hologram processor means also takes into account the eye position data of the current eye positions to: - for one, the extent and location of the hologram regions to adapt to the current eye position and
  • the coding data for the hologram areas to influence dynamically so that the reconstruction system regardless of the current eye position within a NachInstitut Bires all modulated partial light waves with their opened Lichtwellenkegeln directed to the current eye position.
  • the openings of the lightwave cones form a visibility region by coincidence at the current eye position, in which all reconstructed object elements make the holographic reconstruction of the scene visible, without light from parasitic diffraction orders penetrating into the diffraction order used.
  • the hologram processor means for encoding the cell structure also takes into account the eye position data of the current eye positions
  • the eye position of the observer having the visibility range for the wave field with the reconstructed scene within a tracking range may be in any viewing plane means that the eye position of the observer's eye does not have to lie in the focal plane of the reconstruction system, since a dynamic adaptation via the coding of the current video hologram is done.
  • each hologram region forms a modulated partial light wave which, after the reconstruction of its object element at the location of the visibility region, has a light wave cone with an opening which lies within the diffraction order used and coincides as far as possible with the geometry of the visibility region. This also leaves the light from points of light that arise parasitically in other diffraction orders of the diffraction interval, in the corresponding diffraction order and the parasitic light points do not appear in the field of visibility.
  • FiG. 3 also shows the holographic reconstruction system of FIG. 2 with selected object light points of the three-dimensional scene and corresponding coded hologram regions on the spatial light modulator.
  • FIG. 4 shows another illustration of the reconstruction system according to FIG. 2 with the assignment of coded hologram regions on the surface of the light modulator for different examples of selected object light points.
  • FIGS. 5 a and 5 b show the paths of a modulated partial light wave with a selected, reconstructed object light spot and a partial light wave with a corresponding parasitic light spot in an adjacent diffraction order to different eye positions.
  • a hologram processor has adapted the size and the coding of the hologram region for the modulated partial light wave according to the invention to a desired eye position.
  • FIG. 6a to 6c show the paths of modulated partial light waves with different selected reconstructed object light points of a scene in a diffraction order to different eye positions.
  • the hologram processor has adapted the size, location and coding of the hologram regions for the modulated partial light waves according to the invention to a desired eye position.
  • FIG. Figures 7a and 7b also show the paths of modulated partial light waves with different, selected reconstructed object light points of a scene in a diffraction order to different eye positions.
  • the hologram processor when calculating the video hologram, the hologram processor also takes into account changes in the structure of the visible object light spots resulting from the different perspectives of different eye positions. embodiments
  • the hologram processor HP defines for each object light spot OP1 to OP3 a hologram area H1 to H3 for the cell structure and calculates a lens term for each hologram area based on holographic information about the object light spot and a prismmenter as required. That is, each hologram region in the cell structure is given a coding which realizes for the hologram region a first optical component with the optical function of a separate condenser lens and possibly additionally a second optical component with the optical function of a separate deflection prism.
  • each encoded hologram region provides at least one lens function that reconstructs an object light point at an axial distance from the light modulator SLM.
  • the hologram processor already overlaps a P ⁇ smenfunktion already in the calculation, which changes the lateral position of the reconstructed object light point.
  • FIG. 5a and 5b respectively show the path of a modulated partial light wave with a selected, reconstructed object light spot in the diffraction order used and the path of a partial optical wave with a corresponding parasitic light spot in an adjacent diffraction order to an eye position.
  • the effect of light propagation of the partial light wave with a conical shape after reconstructing is visible on the example of a selected object light spot OPO.
  • the structured cell structure of the light modulator SLM inevitably causes parasitic light spots in other diffraction orders.
  • the embodiment shows only one of these parasitic light points, the light point OP + 1 in the next higher diffraction order.
  • the hologram region H01 is coded in FIG.
  • a light wave cone runs from the reconstructed object light point OPO to the eye position EP1 and completely fills the visibility region VR1, which fully utilizes the maximum possible area in the diffraction order used
  • a parasitic light wave which generates the undesired light spot OP + 1 in the next higher diffraction order, passes the visibility area VR1, so that the light point OP + 1 does not appear in the visibility area VR1
  • every other point of light which other parasitic light waves generate in a different diffraction order for example in the next lower one. For reasons of clarity, however, no further orders of diffraction are drawn in the figures
  • the situation is different when the observer eye moves axially from the eye position EP1 to the eye position EP2. Since the reconstruction system suppresses spatial frequency filtering which suppresses adjacent diffraction orders, light from parasitic light points would be beyond the eye position EP1, for example at the eye position EP2 get the eye
  • the hologram processor codes for the object light spot OPO a smaller hologram area H02 with a lens function
  • the modulated parasitic part wave for the light point OP + 1 passes by both visibility regions VR1 and VR2, so that this coding appears fundamentally advantageous
  • the reconstruction system according to the present invention has a visibility region which corresponds to the cut surfaces of all lightwave cones with the eye position plane.
  • a relatively narrow diffraction interval can always be realized with favorably realizable light modulators, depending on the light colors used. the reconstruction of the visibility area as far as possible exploit the maximum possible sectional area in the diffraction interval.
  • FIGS. 6a to 6c show only light paths of partial light waves for selected object light points OP1 to OP3 in the diffraction order used for the reconstruction. Parasitic points of light in other diffraction orders are missing for clarity.
  • the cell structure of the spatial light modulator SLM carries a coding for each hologram region H1, H2 and H3 which contains a lens term and a prismment term.
  • each hologram region H1, H2 and H3 spatially separately modulates a partial light wave of the lightwave field LW.
  • each partial light wave reconstructs its assigned object light point OP1, OP2 or OP3 separately.
  • the partial light waves propagate as light-wave cones to the current eye position EP1 in order to form a visibility region VR there by coincidence with their openings of the light-wave cones.
  • all hologram regions H1, H2 and H3 are calculated for the same pattern of object light points OP1 to OP3, which belong to the reconstruction of a scene which is located at a fixed position relative to the light modulator SLM.
  • FIG. Fig. 6a shows hologram regions H11, H21 and H31 having a size and position which are defined and encoded with a prismatic term dependent on the eye position EP1, such that all the partial light waves travel to the eye position EP1 to form the visibility region VR1.
  • the lightwave cones of the reconstructed object light points OP1 to OP3 in the vicinity of the eye position EP1 coincide to a visibility region VR1, in which all object light points are visible as a three-dimensional reconstruction of the scene.
  • FIG. 6b shows that the hologram processor HP has generated a new functional visibility area VR2 after the axial eye movement by redefining the size and location of the hologram areas H12, H22 and H32 in the cell structure and adjusting the value of the encoded prisnce term to the eye position EP2 Has.
  • FIG. 6b shows that the reconstructed object light points OP1 and OP3 are no longer visible at the location of the old visibility area VR1.
  • points of light not drawn to the object light points OP1 and OP3 from other diffraction orders are visible.
  • FIG. 6c shows an eye movement from the eye position EP1 in several dimensions to an eye position EP3, which lies beyond the optical axis OA of the reconstruction system. Since the eye position EP3 is laterally away from the eye position EP2, the hologram processor HP must essentially change the position of the hologram regions H 13, H23 and H33 in the cell structure and calculate an altered prism term for each hologram region. In order to ensure a firm anchoring of the reconstructed scene in the space in front of the current eye position with every lateral head movement, all hologram regions H13, H23 and H33 shift one-sidedly in the cell structure. As a result, hologram regions which lie in the direction of the displacement at the edge can no longer be coded.
  • the hologram processor HP can, in principle, calculate such information about the position of the hologram regions in the cell structure in the case of a lateral change between eye positions and code that the position of the reconstruction of the scene changes in relation to the light modulator SLM in such a way that Visibility range of each eye position the scene has an equal field of view.
  • the hologram processor HP provides the same video hologram for different viewers in time division multiplex.
  • the reconstruction of the scene be done at each head movement
  • the viewer remains firmly in one place and the hologram processor adapts the encoded detail structure of the scene to the changed perspective.
  • FIG. FIGS. 7a and 7b show a particularly advantageous embodiment of the invention, which makes it possible to comfortably adapt the visible holographic reconstruction to the eye perspective for any eye positions in a tracking area.
  • the hologram processor HP uses the
  • Eye position by ray tracing to check the visibility of the object light points and to change the structure of the reconstructed object light points depending on the current eye position.
  • FIG. 7a shows only the hologram regions H11 to H31 of the object light spots OP1 to OP3 and their modulated partial light waves in the diffraction order used on their light paths to the eye position EP1.
  • the hologram processor HP determines that from the eye position EP1 perspective, the object spot OP3 obscures the depth object spot OP4. Therefore, he does not define a hologram area for the object light spot OP4 and does not calculate any coding data for it. This saves the hologram processor HP computing capacity.
  • FIG. Fig. 7a shows the viewer eye for viewing the current video hologram at the eye position EP2.
  • the hologram processor HP determines in its visibility test, before calculating the current video hologram, that both the object light point OP3 and the object light point OP4 are visible.
  • the hologram processor determines that the holographic reconstruction system does not make a hologram area by exceeding the available area of the cell structure for the object light point OP1 lying at the edge of the video hologram can provide. Therefore, the object light point OP1 is not considered in the calculation of the current video hologram. This also saves computing capacity.
  • spatial light modulators with a cell structure that allows spatial modulation with complex adjustment values or pure spatial phase modulation can be used as the light modulation means.
  • a particular advantage of the invention is that the reconstruction system can be implemented as far as possible without optical components that cause blocking. Instead, fast spatial phase light modulating means must be used which provide a plurality of modulated partial light waves for different eye positions for each video hologram of a moving video sequence having a large phase swing.
  • the reconstruction system can use spatial light modulation means with a plurality of light modulators and / or additional optical means which realize part of the prism function.
  • small apertures of the modulator cells are needed. This requires a high resolution of the light modulating means and a large computing power for calculating the coding values for the video holograms.
  • the reconstruction system according to the invention basically does not require any optical focus means.
  • focusing means can be arranged in the light path of the illumination wave, which would drastically reduce the requirement for the coding and setting range of the prism terms in the hologram regions of the modulator cell structure.
  • the focusing means can be embodied for example as a field lens, lens array or as an array with diffractive optical elements.
  • the subject of this invention is also advantageously applicable to any of the above-described prior art reconstruction systems having optical focus means for imaging illumination means for illuminating the light modulating means into a focal plane in which the eye position is located.
  • Such a system defines the distance between the illumination means and the focus means as well as the focal length of the focus means the distance of the focal plane from the light modulation means.
  • eye positions which are located at an axial distance from the focal plane it is advantageous to adapt with the object of the invention, the effective focal length of the focusing means.

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Abstract

Ein holographisches Rekonstruktionssystem mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln (SLM), einem Augenfinder und einer Positionssteuerung richtet ein propagierendes räumliches moduliertes Lichtwellenfeld (LW) auf wenigstens eine Augenposition (EP3) eines Betrachterauges aus, rekonstruiert damit eine Szene dreidimensional und führt diese beim Positionswechsel der Augenposition nach. Mit einem geringen mechanischen und optischen Aufwand ermöglicht die Erfindung ein freies laterales und axiales Bewegen des Betrachterkopfes zu beliebigen Augenpositionen in einem Nachführbereich. Der Gebrauch zusätzlicher, großflächiger optischer Komponenten, die optische Aberrationen beim Positionswechsel von Betrachteraugen bewirken, wird vermieden. Das Rekonstruktionssystem gemäß der Erfindung löst die Aufgabe in dem ein Hologrammprozessormittel neben der holographischen Szeneinformation und Daten zur Objektposition von zugeordneten Objektelementen (OP1, OP2, OP3) zusätzlich auch die Augenpositionsdaten der aktuellen Augenpositionen berücksichtigt, um zum Einem die Größe und Lage der Hologrammgebiete (H1, H2, H3) an die aktuelle Augenposition (EP3) anzupassen und zum Anderen die Kodierdaten für Hologrammgebiete dynamisch so zu beeinflussen, dass das System unabhängig von der aktuellen Augenposition innerhalb eines Nachführbereiches modulierte Teillichtwellen mit ihren geöffneten Lichtwellenkegeln zur aktuellen Augenposition richtet.

Description

Holographisches Rekonstruktionssystem mit einer Nachführung der Rekonstruktion
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein holographisches Rekonstruktionssystem, bei dem ein propagierendes moduliertes Lichtwellenfeld, das sich zu mindestens zu einem Auge eines Betrachters ausbreitet, eine Szene dreidimensional rekonstruiert und für das Auge sichtbar macht. Das System weist räumliche Lichtmodulationsmittel, einen Augenfinder und eine Positionssteuerung auf, um das propagierende modulierte Lichtwellenfeld mit der holographischen Rekonstruktion auf die Augenposition mindestens eines Betrachters auszurichten und beim Positionswechsel der Augenposi- tion nachzuführen. Insbesondere betrifft die Erfindung Mittel zum Anpassen der axialen Entfernung der Augenposition vom Rekonstruktionssystem.
Die Erfindung ist unabhängig von der Art der Bereitstellung der holographischen Information anwendbar und kann auch für Rekonstruktionssysteme eingesetzt werden, welche gleichzeitig mehreren Betrachtern eine holographisch rekonstruierte Videoszene zum Betrachten bereitstellt.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Der Anmelder hat bereits verschiedene holographische Rekonstruktionssysteme offenbart, welche mit einem propagierenden modulierten Lichtwellenfeld, das eine Wellennachführung auf mindestens ein Auge eines Betrachters ausgerichtet, eine Szene dreidimensional rekonstruieren.
Das vorliegende Dokument erläutert das Funktionsprinzip eines solchen Rekonstruktionssystems am Beispiel eines Lichtwellenfeldes, welche eine Szene für ein Auge eines Betrachters sichtbar rekonstruiert. Für das andere Auge kann das System ein zweites Wellenfeld mit parallaktisch abweichender holographischer Information im zeitlichen oder räumlichen Multiplex generieren. Grundsätzlich kann das System aber auch ein Wellenfeld mit einem hinreichend großen Sichtbarkeitsbereich bereit- stellen. Die Systeme können auch für mehrere Betrachter im zeitlichen oder räumlichen Multiplex separate Wellenfelder generieren und ausrichten.
Für die vorliegende Erfindung wird ein Grundprinzip für ein Rekonstruktionssystem angewendet, bei dem räumliche Lichtmodulationsmittel ein Videohologramm bilden. FIG. 1 zeigt ein grundsätzliches technisches Problem eines Rekonstruktionssystems, das Lichtmodulationsmittel mit diskreten Modulatorzellen benutzt. Die Lichtmodulationsmittel sind im Beispiel ein einzelner Lichtmodulator SLM, den eine interferenzfähige Lichtwellenfeld LW entweder beim Durchfluten mit Licht, d. h., im transmissiven Gittermodus, oder als steuerbare, räumlich angeordnete Mikroreflek- toren mit holographischer Information moduliert. Der Lichtmodulator SLM ist dynamisch mit holographischer Information der Szene kodiert. In beiden Fällen entsteht ein moduliertes Wellenfeld, welches nach einer Fourier-Transformation mit einer Sammellinse L die Objektlichtpunkte der Szene im Raum vor der Fokalebene FL rekonstruiert. Die Sammellinse L sichert, dass das von allen Teilen des Videoholo- gramms ausgehende Licht den Sichtbarkeitsbereich nicht definiert passiert.
Wie bei der konventionellen Holographie mit Fotoplatten oder Fotofilm, enthält auch der in FIG. 1 gezeigte Lichtmodulator SLM für ein konventionelles Videohologramm in jeder Modulatorzelle die gesamte holographische Information zur Szene. Nach dem Teilen eines Videohologramms, könnte jeder Hologrammteil für sich abhängig vom Betrachterwinkel die gesamte Szene holographisch rekonstruieren, lediglich der Winkelbereich, unter dem das Objekt betrachtet werden kann, nimmt ab.
Ein Problem entsteht jedoch, wenn das bekannte System die holographische Information für jeden Objektlichtpunkt auf der gesamten Modulatorfläche eines zweidimensionalen räumlichen Lichtmodulators mit einer gerasterten Modulatorzellenstruk- tur, beispielsweise ein Flüssigkristalldisplay, kodiert. Neben jedem gewünschten rekonstruierten Objektlichtpunkt entstehen unvermeidlich zusätzlich parasitäre Lichtpunkte in weiteren Beugungsordnungen, die in einem Raumfrequenzspektrum liegen. FIG. 1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung zum ausgewählten Objektlichtpunkt OPO in der vom System genutzten Beugungsordnung zusätzlich noch parasitäre Lichtpunkte OP+1 und OP-1 in den Beugungsordnungen +1 und -1. In weiter entfernten Beugungsordnungen entstehen noch weitere parasitäre Lichtpunkte, die für die vorliegende Erfindung wenig interessant sind. Am Ort der Rekon- struktion liegt der Objektlichtpunkt in einem Beugungsintervall in Linie mit allen parasitären Lichtpunkten. Nach dem Rekonstruieren breiten sich von jedem Lichtpunkt zur Fokalebene mit periodischen Abständen Lichtwellenkegel aus, deren Öffnungswinkel die Wellenlänge des Lichts, das die Modulatorzellen beleuchtet, und der Modulatorzellenabstand in der Zellenstruktur definieren.
Die Lichtwellenkegel aller rekonstruierter Lichtpunkte OP+1 , OPO und OP-1 breiten sich so weitwinklig aus, dass in einem Sichtbarkeitsbereich VR, der in der Fokalebene FL durch die zum Rekonstruieren genutzte Beugungsordnung definiert ist, auch Licht aus benachbarten Lichtwellen kegeln der parasitären Lichtpunkte OP+1 und OP-1 erscheint, so dass diese Lichtpunkte sichtbar sind. Diese Störung lässt sich durch Filtern nicht mehr entfernen.
Der Anmelder hat erstmalig ein solches Rekonstruktionssystem in seiner internationalen Veröffentlichung WO 2004/044659 mit der Bezeichnung "Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen" beschrieben. FIG. 2 zeigt eine aus dieser Veröffentlichung bekannte Möglichkeit zum Beseitigen dieses Mangels.
Um im Sichtbarkeitsbereich Lichtwellen aus höheren Beugungsordnungen zu vermeiden, werden zum Kodieren der Lichtmodulatormittel kleine Objektelemente der Szene genutzt, vorzugsweise diskrete Objektlichtpunkte, welche das Rekonstrukti- onssystem separat rekonstruiert. Im Beispiel reduziert für jeden Objektlichtpunkt ein nicht gezeichnetes computergestütztes Hologrammprozessormittel die kodierte Fläche des Lichtmodulators SLM entsprechend seiner räumlichen Position vor dem Sichtbarkeitsbereich VR und der Größe des Sichtbarkeitsbereichs VR auf ein Hologrammgebiet HO. Damit gelangt nur Licht vom Objektlichtpunkt aus der benutzten Beugungsordnung in den Sichtbarkeitsbereich VR. Der Sichtbarkeitsbereich liegt also nur in einer Beugungsordnung. Ein Betrachter, der mindestens mit einem Auge in Richtung zum Videohologramm blickt und die Szene betrachtet, kann nicht die Lichtwelle sehen, die im Beispiel vom parasitären Lichtpunkt OP+1 ausgeht.
Ein nicht gezeichneter Hologrammprozessor der Systemsteuerung kalkuliert in Abhängigkeit von der axialen Position des Objektlichtpunktes OPO im Raum die
Flächengröße jedes Hologrammgebietes. Das heißt, sowohl der axiale Abstand d1 des Objektlichtpunktes OPO als auch vom Abstand d2 der Fokalebene zum Lichtmodulator SLM definieren die Fläche des Hologrammgebietes HO. Die laterale Abweichung des rekonstruierten Objektlichtpunktes OPO von der optischen Achse des Lichtmodulators SLM ergibt die Position des Hologrammgebiets HO auf der Oberfläche des Lichtmodulators SLM. Anders ausgedrückt, jedes Hologrammgebiet HO wird in seiner Position und Größe durch gedachte Verbindungsflächen vom Sichtbarkeitsbereich VR durch den betreffenden Punkt zur Modulatorfläche des Lichtmodulators definiert.
Diese Kodierung hat der Anmelder unter anderem auch in der internationalen Veröf- fentlichung WO 2006/119920 mit der Bezeichnung: "Device for holographic recon- struction of three-dimensional scenes" offenbart.
FIG. 3 zeigt für eine dreidimensionale Szene 3DS schematisch nur noch Lichtwellen, die von rekonstruierten Objektlichtpunkten in der genutzten Beugungsordnung ausgehen. Das Beispiel zeigt nur wenige ausgewählte Objektlichtpunk- te OP1 ... OP4 eines Szenenabschnitts. Der Hologrammprozessor HP kodiert für jeden einzelnen Objektlichtpunkt OP1 ... OP4 in einer Anzahl von benachbarten Modulatorzellen des Lichtmodulators SLM ein eigenes Hologrammgebiet H1 ... H4. Jedes Hologrammgebiet bildet im Zusammenwirken mit der Sammellinse L eine einstellbare Linse, welche im Raum zwischen dem SLM und der der Fokalebene FL ihren Objektlichtpunkt OP so rekonstruiert, dass seine Lichtwelle in den Sichtbarkeitsbereich VR läuft, ohne in der Fokalebene FL die benutzte Beugungsordnung zu verlassen. Das verhindert ein Wahrnehmen von parasitären Lichtpunkten aus anderen Beugungsordnungen im Sichtbarkeitsbereich VR. Der Hologrammprozessor HP ordnet also die holographische Information eines einzelnen Objektlichtpunktes immer nur einem begrenzten Hologrammgebiet H der Modulatorfläche zu. Unter Berücksichtigung der Daten für die aktuelle Augenposition, welche die Systemsteuerung mit Hilfe eines Augenfinders liefert, kalkuliert er die Lage und die Größe für jedes Hologrammgebiet.
Beide bekannte Rekonstruktionssysteme haben den Nachteil, dass die Rekonstruk- tion nur vom Sichtbarkeitsbereich VR, der an der Fokalebene FL liegt, fehlerfrei sichtbar ist. Nur dort koinzidieren alle Lichtwellen der rekonstruierten Objektlichtpunkte zu einem Lichtwellenfeld, welches die Rekonstruktion der Szene vollständig wiedergibt. Der Sichtbarkeitsbereich ist von virtueller Natur und daher vom Benutzer ohne Hilfe schwer zu entdecken. Da das Rekonstruktionssystem keinen Raumfrequenzfilter zum Unterdrücken von benachbarten Beugungsordnungen aufweist, gelangt jenseits der Fokalebene FL Licht von parasitären Lichtpunkten auf die Au- genpupille. FIG. 5a zeigt das am Beispiel eines rekonstruierten Objektlichtpunktes OPO. Wenn am angedeuteten Sichtbarkeitsbereich VR2 ein Betrachterauge liegen würde, käme auch Licht vom parasitären Lichtpunkten OP+1 in die Augenpupille und der Lichtpunkt OP+1 und wäre als Störung sichtbar.
Außerdem haben Abstände der Augenposition von der Fokalebene FL ab einer bestimmten Größe in beiden Richtungen zur Folge, dass die Lichtwellen von bestimmten Hologrammgebieten, insbesondere von denen, die in einem Randbereich des Lichtmodulators SLM liegen, nicht zur Augenpupille des Betrachterauges gelangen, so dass diese Objektlichtpunkte dann an dieser Augenposition nicht sichtbar sind. Dieser Mangel ist in Fig. 6a dargestellt. Ein Betrachterauge, das am angedeu- teten Sichtbarkeitsbereich VR2 liegt, kann den Objektlichtpunkt OP3 der rekonstruierten Szene nicht wahrnehmen, da seine Lichtwelle nicht auf die Augenpupille trifft. Diese Tatsache erfordert ein Ausrichten des propagierenden Wellenfeldes mit der Rekonstruktion und dem Sichtbarkeitsbereich VR auf die aktuelle Augenposition und ein Nachführen bei Kopfbewegungen eines Betrachters.
Bekannte holographische Rekonstruktionssysteme weisen daher einen Augenfinder und entsprechende Nachführmittel auf. Bewegt sich ein Betrachter, führt das Nachführsystem, beispielsweise durch Ändern der aktiven Lichtquellenposition, das entsprechende modulierte Wellenfeld der sich ändernden aktuellen Augenposition nach. Im Folgenden ist unter „aktuelle Augenposition" die Augenposition am Ende eines modulierten Wellenfeldes zu verstehen, die auf mindestens ein solches Betrachterauge gerichtet ist, für welches das aktuell kodierte Videohologramm das Wellenfeld moduliert hat. Beispiel: Ein holographisches Rekonstruktionssystem, stellt für jedes Auge eines Betrachters im Zeitmultiplex ein separat moduliertes Wellenfeld bereit. Wenn die Systemsteuerung über die Information verfügt, dass zwei Betrachter die Rekonstruktion betrachten, muss diese modulierte Lichtwellenfelder nacheinander für vier verschiedene Augenpositionen bereitstellen, wobei sich der holographische Inhalt für das rechte und das linke Auge unterscheiden. Zum Zeitpunkt an dem die Videohologrammfolge ein Einzelhologramm für ein rechtes Auge bereitstellt richtet das Nachführsystem das modulierte Wellenfeld mit dem Einzelhologramm nur auf das rechte Auge des ersten Betrachters und anschließend auf das rechte Auge des anderen Betrachters. Erst danach, wenn ein Einzelholo- gramm für ein linkes Auge kodiert ist, werden die zwei restlichen Augenpositionen bedient.
Derartige Nachführmittel sind relativ aufwendig und weisen optische Elemente auf, welche das propagierende Wellenfeld vor dem Rekonstruieren der Szene empfindlich deformieren. Die optischen Nachführmittel führen das modulierte Wellenfeld in einem, von der aktuellen Augenposition abhängigen, schrägen Einfallwinkel, der erheblich von der optischen Achse der Komponenten abweichen kann. Daher treten Aberrationen und Laufzeitfehler mit veränderlichen Anteilen auf.
Diese deformieren das propagierende Wellenfeld positionsabhängig und muss vor dem Rekonstruieren kompensiert werden. Positionswechsel der Augenposition bewirken dann Aberrationen, wie sphärische Aberration, Koma, Bildfeldwölbung, Astigmatismus, Distorsion, welche in Folge ihrer wechselnden Anteile nur schwer kompensiert werden können. Diese Deformationen bewirken, dass die Koinzidenz der Lichtwellen im Sichtbarkeitsbereich gestört ist und einzelne rekonstruierte Objektlichtpunkte der Szene an einer falschen Position oder unscharf rekonstruiert werden, so dass die Szene im Sichtbarkeitsbereich verzerrt dargestellt wird oder im Extremfall sogar einzelne Objekte der Szene im Sichtbarkeitsbereich fehlen,
Aus der internationalen Veröffentlichung WO 01/95016 mit dem Titel: „Computation time reduction for three-dimensional displays" ist ein weiteres holographisches Rekonstruktionssystem bekannt, welches die Aufgabe hat, die Rechenkapazität zum Kodieren des Lichtmodulators SLM drastisch zu senken.
Im Vergleich zum zuvor dargestellten System nutzt dieses System einen sehr hoch auflösenden Lichtmodulator SLM und kodiert das aktuelle Hologramm immer nur in einen von der Augenposition abhängigen variablen Lichtmodulatorbereich mit einer eingeschränkten Anzahl von Modulatorzellen. Ein Augenfinder ermittelt für die Steuermittel des Systems sowohl die Augenposition als auch die Details der Szene, welche der Betrachter aktuell betrachtet. Damit definieren die Steuermittel in den Daten des aktuellen Videohologramms die Modulatorzellen, welche zum Rekonstruieren dieser betrachteten Details beitragen, und kalkulieren die Kodierwerte für den Lichtmodulatorbereich in Abhängigkeit von der Blickrichtung der Betrachteraugen zum Displayschirm. Um die Rechenkapazität zu reduzieren, berechnet die Systemsteuerung mit höchster Priorität die Kalkulationswerte für die definierten Modulatorzellen. Daraus formt das System eine entsprechende Systemausgangspupille, die diese Details rekonstruiert. Den Rest des rekonstruierten Objekts, den der Betrachter aktuell nicht betrachtet oder von der Augenposition sehen kann, berechnet und aktualisiert die Systemsteuerung mit niedriger Priorität und/oder mit geringerer Häufigkeit auf Vorrat. In Übereinstimmung mit der Pupillenposition des Betrachterauges verändert die Systemsteuerung dabei simultan die Form, die Größe und die Position der entsprechenden Ausgangspupille. Das simulierte Objekt erscheint in einem relativ kleinen, dreidimensionalen Polyeder, der um die Fokalebene FL der Wiedergabeoptik liegt.
Dieses bekannte Rekonstruktionssystem hat neben einem relativ kleinen Rekonstruktionsraum für eine Rekonstruktion nahe der Fokalebene FL gegenüber dem erstgenannten den Nachteil, dass es jeweils nur eine stark eingeschränkte Anzahl aller verfügbaren Modulatorzellen des Lichtmodulators nutzt. Diese Redundanz schränkt die Sichtweite auf die Rekonstruktion stark ein und erfordert gegenüber dem erstgenannten System einen Lichtmodulator mit einer wesentlich höheren Auflösung und wie das Dokument zeigt, eine Wiedergabeoptik mit einem im Vergleich zum Lichtmodulator größeren Querschnitt. Da ein feststehender Hintergrund fehlt, ist das System wenig zum Darstellen von Videoszenen mit Objekten in verschiedenen Raumtiefen geeignet. Auch bei diesem System muss das modulierte Wellenfeld schräg durch die Wiedergabeoptik laufen. Dieses stellt ebenfalls eine Fehlerquelle für Aberrationen bereit, die von wechselnden Augenpositionen abhängen.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einem geringen mechanischen und optischen Aufwand eine freie Beweglichkeit des Kopfes eines Betrachters zu einer beliebigen Augenposition innerhalb eines Nachführbereiches sowohl lateral als auch axial zur optischen Lichtaustrittsachse des Rekonstruktionssystems zu ermöglichen. Das System soll den Gebrauch zusätzlicher, insbesondere großflächiger optischer Komponenten, welche eine zusätzliche Fehlerquelle für optische Aberrationen beim Positionswechsel von Betrachteraugen darstellen, vermeiden.
Die Erfindung geht von einem holographischen Rekonstruktionssystem aus, das mit wenigstens einem interferenzfähigen propagierenden Lichtwellenfeld, welches mit einer Folge von Videohologrammen moduliert ist, die optische Erscheinung einer Szene dreidimensional holographisch rekonstruiert. Das Rekonstruktionssystem enthält Hologrammprozessormittel, welche die Folge von Videohologrammen aus holographischer Information zur Szene, die holographisch rekonstruiert werden soll, kalkulieren. Die Hologrammprozessormittel kodieren diskret eine Zellenstruktur von Modulatorzellen, welche die räumlichen Lichtmodulationsmittel enthalten. Als holographische Information dient die Beschreibung von strukturiert angeordneten Objektelementen der Szene, wie beispielsweise Elementfarbe und Elementhelligkeit. Vorzugsweise sind die Objektelemente diskrete Objektlichtpunkte der Szene, können aber auch von der Bildverarbeitungstechnik bekannte Bildsegmente sein.
Eine Besonderheit der Kodierung des für die Erfindung genutzten Rekonstruktionsprinzips besteht darin, dass die Hologrammprozessormittel jedem Objektelement ein diskretes Hologrammgebiet in der Zellenstruktur zu weisen und die Ausdehnung und die Lage für das Hologrammgebiet abhängig von Daten zur Objektposition vom Objektelement in der Szene definieren.
Anschließend kalkulieren die Hologrammprozessormittel für jedes Hologrammgebiet Kodierdaten aus der holographischen Information und aus den Daten zur Objektposition vom zugeordneten Objektelement und kodieren damit die Zellenstruktur.
Entsprechend den zugewiesenen Hologrammgebieten zur Zellenstruktur moduliert jedes Hologrammgebiet eine Teillichtwelle des interferenzfähigen Lichtwellenfeldes, so dass alle modulierten Teillichtwellen separat die ihnen zugeordneten Objektelemente rekonstruieren und sich anschließend als Lichtwellenkegel zu einem Sichtbarkeitsbereich ausbreiten.
Das holographische Rekonstruktionssystem gemäß der Erfindung enthält außerdem Steuermittel, die mit Augenpositionsdaten, die Augenfindermittel von den Augenpo- sitionen mindestens eines Betrachters liefern, alle modulierten Teillichtwellen auf eine aktuelle Augenposition auszurichten. Damit wird erreicht, dass alle Lichtwellenkegel im Sichtbarkeitsbereich die vollständig rekonstruierte Szene sichtbar machen und bei einem Bewegen des Kopfes der Augenposition nachführen,
Das holographische Rekonstruktionssystem löst die oben beschriebene Aufgabe mit Mitteln gemäß der Erfindung dadurch, dass die Hologrammprozessormittel neben der holographischen Information und den Daten zur Objektposition vom zugeordneten Objektelement zusätzlich auch die Augenpositionsdaten der aktuellen Augenpositionen berücksichtigt, um: - zum Einem die Ausdehnung und Lage der Hologrammgebiete an die aktuelle Augenposition anzupassen und
- zum Anderen die Kodierdaten für die Hologrammgebiete dynamisch so zu beeinflussen, dass das Rekonstruktionssystem unabhängig von der aktuellen Augenposition innerhalb eines Nachführbereiches alle modulierten Teillichtwellen mit ihren geöffneten Lichtwellenkegeln zur aktuellen Augenposition richtet.
Dadurch wird erreicht, dass die Öffnungen der Lichtwellenkegel durch Koinzidenz an der aktuellen Augenposition einem Sichtbarkeitsbereich bilden, in dem alle rekonstruierten Objektelemente die holographische Rekonstruktion der Szene sichtbar machen, ohne dass Licht aus parasitären Beugungsordnungen in die genutzte Beugungsordnung eindringt.
Da die Hologrammprozessormittel zum Kodieren der Zellenstruktur zusätzlich auch die Augenpositionsdaten der aktuellen Augenpositionen berücksichtigt, kann bei einem holographischen Rekonstruktionssystem gemäß der Erfindung die Augenposition des Betrachters mit dem Sichtbarkeitsbereich für das Wellenfeld mit der re- konstruierten Szene innerhalb eines Nachführbereiches in einer beliebigen Betrachtungsebene liegen, dass heißt, die Augenposition des Betrachterauges muss nicht in der Fokalebene des Rekonstruktionssystems liegen, da ein dynamisches Anpassen über die Kodierung des aktuellen Videohologramms erfolgt.
Um einerseits störende Lichteinflüsse aus parasitären Beugungsordnungen zu vermeiden und andererseits die volle Sichtbarkeit aller rekonstruierter Objektelement zu gewährleisten, passen die Hologrammprozessormittel die Ausdehnung, die Lage und den holographischen Inhalt aller Hologrammgebiete dynamisch an die aktuelle Augenposition entsprechend der Lage der Objektelemente vor der Augenposition an. Nach dem Anpassen bildet jedes Hologrammgebiet eine modulierte Teillichtwel- Ie, welche nach der Rekonstruktion ihres Objektelementes am Ort des Sichtbarkeitsbereiches einen Lichtwellenkegel mit einer Öffnung hat, die innerhalb der genutzten Beugungsordnung liegt und weitestgehend mit der Geometrie des Sichtbarkeitsbereiches übereinstimmt. Damit bleibt auch das Licht von Lichtpunkten, die parasitär in andere Beugungsordnungen des Beugungsintervalls entstehen, in der entsprechenden Beugungsordnung und die parasitären Lichtpunkte erscheinen nicht im Sichtbarkeitsbereich.
Ein wesentlicher Vorteil des holographischen Rekonstruktionssystems gemäß der Erfindung besteht darin, das für den Sichtbarkeitsbereich eine vorbestimmte Ausdehnung nahe der Ausdehnung eines Betrachterauges festgelegt werden kann und die Hologrammprozessormittel die Zellenstruktur dynamisch so kodieren, dass die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs unabhängig von einer Entfernung, die ein Betrachter vor den räumlichen Lichtmodulationsmitteln einnimmt, konstant bleibt. Das wird erreicht, in dem die Hologrammprozessormittel die Ausdehnung der Hologrammgebiete auf der Zellenstruktur anpassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen dafür zeigen im Einzelnen:
FIG. 1 : zeigt ein Grundprinzip für ein holographisches Rekonstruktionssystem, bei dem ein Videohologramm auf einem beleuchteten räumlichen Lichtmodula- tor kodiert ist
FIG. 2: zeigt ein Rekonstruktionssystem gemäß der internationalen Veröffentlichung WO 2004/044659, welches dem System gemäß der Erfindung zu Grunde liegt, und die Wirkung von parasitären Lichtpunkten am Beispiel ei- ner benachbarten Beugungsordnung für einen einzigen rekonstruierten Objektlichtpunkt der Szene erläutert
FiG. 3: zeigt ebenso das holographische Rekonstruktionssystem gemäß FIG. 2 mit ausgewählten Objektlichtpunkten der dreidimensionalen Szene und ent- sprechenden, kodierten Hologrammgebieten auf dem räumlichen Lichtmodulator.
FIG, 4: zeigt eine andere Darstellung des Rekonstruktionssystems gemäß FIG. 2 mit der Zuweisung von kodierten Hologrammgebieten auf der Fläche des Lichtmodulators für verschiedene Beispiele von ausgewählten Objektlicht- punkten.
FIG.5a und 5b zeigen die Wege einer modulierten Teillichtwelle mit einem ausgewählten, rekonstruierten Objektlichtpunkt und einer Teillichtwelle mit einem entsprechenden parasitären Lichtpunkt in einer benachbarten Beugungsordnung zu verschiedenen Augenpositionen. Dabei hat ein Hologrammpro- zessor die Größe und die Kodierung des Hologrammgebietes für die modulierte Teillichtwelle gemäß der Erfindung an eine gewünschte Augenposition angepasst.
FIG. 6a bis 6c zeigen die Wege von modulierten Teillichtwellen mit verschiedenen ausgewählten rekonstruierten Objektlichtpunkten einer Szene in einer Beu- gungsordnung zu verschiedenen Augenpositionen. Dabei hat der Hologrammprozessor die Größe, Lage und die Kodierung der Hologrammgebiete für die modulierten Teillichtwellen gemäß der Erfindung an eine gewünschte Augenposition angepasst.
FIG. 7a und 7b zeigen ebenfalls die Wege von modulierten Teillichtwellen mit ver- schiedenen, ausgewählten rekonstruierten Objektlichtpunkten einer Szene in einer Beugungsordnung zu verschiedenen Augenpositionen. Im Gegensatz zur Ausführung nach FIG. 6a bis 6c berücksichtigt der Hologrammprozessor jedoch beim Kalkulieren des Videohologramms auch Veränderungen in der Struktur der sichtbaren Objektlichtpunkte, die sich aus den verschie- denen Perspektiven von verschiedenen Augenpositionen ergeben. Ausführungsbeispiele
Die Funktion des Rekonstruktionssystems gemäß der Erfindung kann anhand von Linsen und Prismen erklärt werden, die der Hologrammprozessor zum Kalkulieren der Videohologramme als eine Struktur von Sammellinsenfunktionen und optischen Prismenfunktionen in die Zellenstruktur der räumlichen Lichtmodulationsmittel kodiert.
FIG. 4 zeigt eine anschauliche perspektivische Darstellung der Kodierung der Zellenstruktur des räumlichen Lichtmodulators SLM am Beispiel von Objektlichtpunkten OP1 bis OP3, die als typische Beispiele aus einer dreidimensionalen Szene ausge- wählt sind.
Entsprechend dem bekannten Grundprinzip der vorliegenden Erfindung definiert der Hologrammprozessor HP für jeden Objektlichtpunkt OP1 bis OP3 ein Hologrammgebiet H1 bis H3 für die Zellenstruktur und kalkuliert anhand von holographischer Information zum Objektlichtpunkt für jedes Hologrammgebiet einen Linsenterm sowie je nach Erfordernis einen Prismenterm. Das heißt, jedes Hologrammgebiet in der Zellenstruktur erhält eine Kodierung, welche für das Hologrammgebiet eine erste optische Komponente mit der optischen Funktion einer separaten Sammellinse und gegebenenfalls zusätzlich eine zweite optische Komponente mit der optischen Funktion eines separaten Ablenkprismas realisiert.
Da alle Hologrammgebiete in der interferenzfähigen Lichtwellenfont LW liegen, realisieren ihre Kodierungen räumlich separate Teillichtwellen, die entsprechend ihrer Sammellinsenfunktionen jeweils einen Objektlichtpunkt OP1 , OP2, oder OP3 separat rekonstruieren. Für eine korrekte Rekonstruktion muss der Wellenweg des modulierten Lichts so laufen, dass in einem Betrachterraum vor der aktuellen Au- genposition alle rekonstruierten Objektlichtpunkte an einer Objektposition entsprechend der Szene liegen und anschließend zur Augenposition in einen Sichtbarkeitsbereich laufen. Um dieses zu realisieren, überlagert der Hologrammprozessor beim Kalkulieren dem Linsenterm einen der Objektposition des Objektlichtpunktes entsprechend Prismenterm. Das heißt, jedes kodierte Hologrammgebiet stellt zumin- dest eine Linsenfunktion bereit, die in einer axialen Entfernung vom Lichtmodulator SLM einen Objektlichtpunkt rekonstruiert. Der überwiegenden Anzahl von kodierten Hologrammgebieten überlagert der Hologrammprozessor aber bereits beim Kalkulieren zusätzlich eine Pπsmenfunktion, welche die laterale Position des rekonstruierten Objektlichtpunktes verändert.
Den Lichtweg der modulierten Lichtwellen kann der Hologrammprozessor HP vor- teilhaft nach einer aus der geometrischen Optik und der Computergraphik bekannten Strahlenverfolgungsmethode berechnen, die auch als „ray tracing" bekannt ist. Die Berechnung nutzt die Eigenschaft des Lichts, dass Lichtwege umkehrbar sind und damit alle Lichtwellen vom Auge aus bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgt werden können. Im vorliegenden Fall kodiert der Hologrammprozessor die gesamte Modula- torfläche so, dass alle Lichtpunkte, die beim Betrachten einer Szene aus dem Sichtbarkeitsbereich an einer aktuellen Augenposition zum fehlerfreien Rekonstruktion theoretisch sichtbar sein müssen, auch tatsächlich als Rekonstruktion in den Sichtbarkeitsbereich VR gelangen. Jedes Hologrammgebiet entsteht als Projektion des Sichtbarkeitsbereiches VR durch einen Objektlichtpunkt der Szene hindurch auf die Oberfläche des Lichtmodulators SLM, der dadurch für jeden Objektlichtpunkt ein Hologrammgebiet erhält. Eine Szene besteht grundsätzlich aus einer Vielzahl dicht angeordneter Objektlichtpunkte. Wie FIG. 4 zeigt, überlagern sich deshalb ihre Hologrammgebiete. Der Hologrammprozessor kalkuliert und kodiert keine Objektlichtpunkte, welche davor liegende Objekte der Szene beim Betrachten von der aktuellen Augenposition aus verdecken. Das reduziert den Rechenaufwand zum Kalkulieren des aktuellen Videohologramms stark.
Die FIG. 5a und 5b zeigen jeweils den Weg einer modulierten Teillichtwelle mit einem ausgewählten, rekonstruierten Objektlichtpunkt in der genutzten Beugungsordnung und den Weg einer Teiliichtwelle mit einem entsprechenden parasitären Lichtpunkt in einer benachbarten Beugungsordnung zu je einer Augenposition. Dabei ist die Wirkung einer Lichtausbreitung der Teillichtwelle mit einer Kegelform nach dem Rekonstruieren am Beispiel eines ausgewählten Objektlichtpunktes OPO sichtbar. Die strukturierte Zellenstruktur des Lichtmodulators SLM bewirkt zwangsläufig, dass in anderen Beugungsordnungen parasitäre Lichtpunkte entstehen. Das Ausführungsbeispiel zeigt nur einen dieser parasitären Lichtpunkte, den Lichtpunkt OP+1 in der nächst höheren Beugungsordnung. Das Hologrammgebiet H01 ist in FIG 5a so mit einem Linsenterm kodiert, dass eine Teilhchtwelle einen Objektlichtpunkt OPO rekonstruiert und diesen an jedem Punkt eines Sichtbarkeitsbereichs VR1 an der Augenposition EP1 sichtbar macht Ein Lichtwellenkegel lauft vom rekonstruierten Objektlichtpunkt OPO zur Augenposition EP1 und füllt dabei vollständig den Sichtbarkeitsbereich VR1 aus, welcher die maximal mögliche Fläche in der genutzten Beugungsordnung voll nutzt Eine parasitäre Lichtwelle, die den unerwünschten Lichtpunkt OP+1 in der nächst höheren Beugungsordnung generiert, lauft am Sichtbarkeitsbereich VR1 vorbei, so dass der Lichtpunkt OP+ 1 nicht im Sichtbarkeitsbereich VR1 erscheint Das gleiche trifft für jeden anderen Lichtpunkt zu, den weitere parasitäre Lichtwellen in einer anderen Beugungsordnung erzeugen, beispielsweise in der nächst niedrigen Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Figuren jedoch keine weiteren Beugungsordnungen gezeichnet
Anders sind die Verhältnisse, wenn sich das Betrachterauge axial von der Augenpo- sition EP1 zur Augenposition EP2 bewegt Da das Rekonstruktionssystem ohne Raumfrequenzfilterung, welche benachbarte Beugungsordnungen unterdruckt, arbeitet, würde jenseits der Augenposition EP1 , beispielsweise an der Augenposition EP2, Licht von parasitären Lichtpunkten auf das Auge gelangen
Die Losung dieses Problems gemäß der Erfindung zeigt FIG 5b Um den Sichtbar- keitsbereich axial zur Augenposition EP2 zu verschieben, kodiert der Hologrammprozessor für den Objektlichtpunkt OPO ein kleineres Hologrammgebiet H02 mit einer Linsenfunktion
Auch bei der in FIG. 5b gezeigten Kodierung für das Hologrammgebiet H02 lauft die modulierte parasitäre Teilhchtwelle für den Lichtpunkt OP+ 1 an beiden Sichtbar- keitsbereich VR1 und VR 2 vorbei, so dass diese Kodierung grundsatzlich vorteilhaft erscheint
Das Rekonstruktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung hat einerseits einen Sichtbarkeitsbereich, der den Schnittflachen aller Lichtwellenkegel mit der Augenpo- sitionsebene entspricht Andererseits ist mit gunstig realisierbaren Lichtmodulatoren abhangig von den verwendeten Lichtfarben immer nur ein relativ schmales Beugungsintervall realisierbar Deshalb sollte im Interesse einer komfortablen Betrach- tung der Rekonstruktion der Sichtbarkeitsbereich weitestgehend die maximal mögliche Schnittfläche im Beugungsintervall ausnutzen.
Die FIGUREN 6a bis 6c zeigen nur Lichtwege von Teillichtwellen für ausgewählte Objektlichtpunkte OP1 bis OP3 in der zum Rekonstruieren genutzten Beugungsord- nung. Parasitäre Lichtpunkte in anderen Beugungsordnungen fehlen aus Gründen der Übersichtlichkeit.
Die Zellenstruktur des räumlichen Lichtmodulators SLM trägt für jedes Hologrammgebiet H1 , H2 und H3 eine Kodierung, die einen Linsenterm und einen Prismenterm enthält. Damit moduliert jedes Hologrammgebiet H1 , H2 und H3 räumlich separat eine Teillichtwelle des Lichtwellenfeldes LW. In Folge von konstruktiver Interferenz rekonstruiert jede Teillichtwelle ihren zugeordneten Objektlichtpunkt OP1 , OP2 oder OP3 separat. Nach dem Rekonstruieren breiten sich die Teillichtwellen als Lichtwellenkegel zur aktuellen Augenposition EP1 aus, um dort durch Koinzidenz mit ihren Öffnungen der Lichtwellenkegel einen Sichtbarkeitsbereich VR zu bilden. In den FIGUREN 6a bis 6c sind alle Hologrammgebiete H1 , H2 und H3 für das gleiche Muster von Objektlichtpunkten OP1 bis OP3 kalkuliert, welche zur Rekonstruktion einer Szene gehören, die sich gegenüber dem Lichtmodulator SLM an einer festen Position befindet.
FIG. 6a zeigt Hologrammgebiete H11 , H21 und H31 mit einer Größe und Lage, die so definiert und mit einem von der Augenposition EP1 abhängigen Prismenterm kodiert sind, dass alle Teillichtwellen zur Augenposition EP1 laufen, um den Sichtbarkeitsbereich VR1 zu bilden. Wie aus FIG. 6a erkennbar ist, koinzidieren die Lichtwellenkegel der rekonstruierten Objektlichtpunkte OP1 bis OP3 in der Nähe der Augenposition EP1 zu einem Sichtbarkeitsbereich VR1 , in dem alle Objektlichtpunk- te als eine dreidimensionale Rekonstruktion der Szene sichtbar sind. Hinter der Augenposition EP1 divergieren die modulierten Teillichtwellen, so dass nach einer axialen Augenbewegung zu einer Augenposition EP2 die Objektlichtpunkte OP1 und OP3 abhängig von der lateralen Lage des Auges nicht mehr oder nur durch eine optische Störung, die ein parasitärer Lichtpunkt aus einer anderen Beugungsord- nung verursacht, sichtbar sind. FIG. 6b zeigt, dass der Hologrammprozessor HP nach der axialen Augenbewegung einen neuen funktionsfähigen Sichtbarkeitsbereich VR2 generiert hat, indem er die Größe und Lage der Hologrammgebiete H12, H22 und H32 in der Zellenstruktur neu definiert und den Wert des kodierten Prismenterms an die Augenposition EP2 ange- passt hat. Darüber hinaus zeigt FIG. 6b, dass am Ort des alten Sichtbarkeitsbereichs VR1 die rekonstruierten Objektlichtpunkte OP1 und OP3 nicht mehr sichtbar sind. Es ist jedoch zu erwarten, dass stattdessen an diesem Ort nichtgezeichnete Lichtpunkte zu den Objektlichtpunkten OP1 und OP3 aus anderen Beugungsordnungen sichtbar sind.
FIG. 6c zeigt, eine Augenbewegung von der Augenposition EP1 in mehreren Dimensionen zu einer Augenposition EP3, die jenseits der optischen Achse OA des Rekonstruktionssystems liegt. Da die Augenposition EP3 von der Augenposition EP2 lateral entfernt liegt, muss der Hologrammprozessor HP im Wesentlichen die Lage der Hologrammgebiete H 13, H23 und H33 in der Zellenstruktur ändern und für jedes Hologrammgebiet einen geänderten Prismenterm kalkulieren. Um bei jeder lateralen Kopfbewegung eine feste Verankerung der rekonstruierten Szene im Raum vor der aktuellen Augenposition zu sichern, verschieben sich alle Hologrammgebiete H13, H23 und H33 in der Zellenstruktur einseitig. Das hat zur Folge, dass Hologrammgebiete, die in Richtung der Verschiebung am Rand liegen, nicht mehr ko- dierbar sind. Ihre rekonstruierten Objektlichtpunkte würden in der Rekonstruktion fehlen und das Blickfeld auf die Szene wird entsprechend beschnitten. Um dieses zu vermeiden, kann der Hologrammprozessor HP prinzipiell bei einem lateralen Wechsel zwischen Augenpositionen eine solche Information zur Lage der Hologrammgebiete in der Zellenstruktur kalkulieren und kodieren, dass sich die Position der Re- konstruktion der Szene im Verhältnis zum Lichtmodulator SLM so ändert, dass im Sichtbarkeitsbereich jeder Augenposition die Szene ein gleichgroßes Blickfeld aufweist. Eine solche Kalkulation der Videohologramme mit sich ändernder Position der Rekonstruktion der Szene ist jedoch nur wünschenswert, wenn der Hologrammprozessor HP für verschiedene Betrachter im Zeitmultiplex das gleiche Videoholo- gramm bereitstellt.
Für eine reale holographische Rekonstruktion einer Szene ist es jedoch wünschenswert, dass die Rekonstruktion der Szene bei jeder Kopfbewegung eines Betrachter fest an einem Platz bleibt und der Hologrammprozessor die kodierte Detailstruktur der Szene an die veränderte Perspektive anpasst.
Die FIG. 7a und 7b zeigen eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung, welche es ermöglicht, die sichtbare holographische Rekonstruktion für beliebige Augenpositionen in einem Nachführbereich komfortabel an die Augenperspektive anzupassen. Gemäß der Erfindung nutzt dazu der Hologrammprozessor HP die
Augenpositionsdaten der aktuellen Augenpositionen, um bei einem Wechsel der
Augenposition durch Strahlenverfolgung die Sichtbarkeit der Objektlichtpunkte zu überprüfen und abhängig von der aktuellen Augenposition die Struktur der rekon- struierten Objektlichtpunkte zu verändern.
Wie in den voran stehenden Figuren sind auch in den FIGUREN 7a und 7b sind alle Hologrammgebiete für das gleiche Muster von Objektlichtpunkten OP1 bis OP4 kalkuliert, die sich gegenüber dem Lichtmodulator SLM an einer festen Raumposition befinden.
FIG. 7a zeigt jedoch nur die Hologrammgebiete H11 bis H31 der Objektlichtpunkte OP1 bis OP3 und ihre modulierten Teillichtwellen in der benutzten Beugungsordnung auf ihren Lichtwegen zur Augenposition EP1. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung stellt der Hologrammprozessor HP vor dem Kalkulieren des aktuellen Videohologramms in einer Sichtbarkeitsprüfung durch Strahlenverfolgung fest, dass aus der Perspektive von der Augenposition EP1 der Objektlichtpunkt OP3 den in der Tiefe liegenden Objektlichtpunkt OP4 verdeckt. Deshalb definiert er für den Objektlichtpunkt OP4 kein Hologrammgebiet und kalkuliert dafür auch keine Kodierdaten. Damit spart der Hologrammprozessor HP Rechenkapazität.
Anders liegen die Verhältnisse, wenn sich wie FIG. 7a zeigt, das Betrachterauge zum Betrachten des aktuellen Videohologramms an der Augenposition EP2 befindet. Der Hologrammprozessor HP stellt dann vor dem Kalkulieren des aktuellen Videohologramms in seiner Sichtbarkeitsprüfung fest, dass sowohl der Objektlichtpunkt OP3 als auch der Objektlichtpunkt OP4 sichtbar sind. Ebenfalls durch Strahlenverfolgung stellt der Hologrammprozessor fest, dass das holographische Rekonstruktionssys- tem durch ein Überschreiten der verfügbaren Fläche der Zellenstruktur für den am Rand des Videohologramms liegenden Objektlichtpunkt OP1 kein Hologrammgebiet bereitstellen kann. Deshalb wird der Objektlichtpunkt OP1 beim Kalkulieren des aktuellen Videohologramms nicht berücksichtigt. Auch dieses spart Rechenkapazität.
Als Lichtmodulationsmittel können beispielsweise räumliche Lichtmodulatoren mit einer Zellenstruktur benutzt werden, die räumliche Modulation mit komplexen Einstellwerten oder reine räumliche Phasen-Modulation ermöglicht.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Rekonstruktionssystem weitestgehend ohne optische Komponenten, die Aperration verursachen, realisierbar ist. Stattdessen müssen schnelle räumliche Phasenlichtmodulationsmittel benutzt werden, welche für jedes Videohologramm einer sich bewegenden Videofolge mit großem Phasenhub eine Vielzahl modulierter Teillichtwellen für verschiedene Augenpositionen bereitstellen.
Unabhängig vom beschriebenen Grundprinzip des Nachführens der Teillichtwellen und Anpassen der Kodierungen der Zellenstruktur mit dem Hologrammprozessor, können Details in der Anordnung des Rekonstruktionssystems geändert werden.
Da die Kodierung von Prismentermen erhebliche Anforderungen an den einstellbaren Phasenbereich in der Zellenstruktur stellen, kann das Rekonstruktionssystem räumliche Lichtmodulationsmittel mit mehreren Lichtmodulatoren und/oder zusätzliche optische Mitteln benutzen, die einen Teil der Prismenfunktion realisieren. Um die Prismenterme zu kodieren, werden kleine Aperturen der Modulatorzellen benötigt. Dieses erfordert eine hohe Auflösung der Lichtmodulationsmittel und eine große Rechenleistung zur Berechnung der Kodierwerte für die Videohologramme.
Wenn in Folge eines hohen Phasenmodulationshubes der räumlichen Lichtmodulationsmittel für die Teillichtwellen der Hologrammgebiete hinreichend große Prismen- terme einstellbar sind, benötigt das Rekonstruktionssystem gemäß der Erfindung grundsätzliche keine optischen Fokusmittel.
Sind keine hinreichend großen Winkel realisierbar, ergeben sich verschiedene
Möglichkeiten, um die Kodierung von Prismentermen so zu unterstützen, dass die von allen Hologrammgebieten der Modulatorzellenstruktur ausgehenden modulierten Teillichtwellen zur Koinzidenz in den Sichtbarkeitsbereich gelangen. Zum einen können die räumlichen Lichtmodulationsmittel mit einer konvergierenden Welle beleuchtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Rekonstruktionssystems gemäß der Erfindung können im Lichtweg der Beleuchtungswelle fokussierende Mittel angeord- net sein, welche die Anforderung an den Kodier- und Einstellebereich der Prismen- terme in den Hologrammgebieten der Modulatorzellenstruktur drastisch verringern würden. Die fokussierenden Mittel können beispielsweise als Feldlinse, Linsenarray oder als Array mit diffraktiven optischen Elementen ausgeführt sein.
Der Gegenstand dieser Erfindung ist auch vorteilhaft anwendbar bei einem der oben beschriebenen, bekannten Rekonstruktionssysteme, die optische Fokusmittel aufweisen, um Beleuchtungsmittel zum Beleuchten der Lichtmodulationsmittel in eine Fokusebene abzubilden, in der sich die Augenposition befindet. Ein solches System definiert den Abstand zwischen den Beleuchtungsmitteln und den Fokusmitteln sowie die Brennweite der Fokusmittel die Entfernung der Fokusebene von den Lichtmodulationsmitteln. Um für ein solches System auch Augenpositionen zu nutzen, die in einer axialen Entfernung von der Fokusebene liegen, ist es vorteilhaft, mit dem Gegenstand der Erfindung die effektive Brennweite der fokussierenden Mittel anzupassen. Das geschieht, indem der Hologrammprozessor für jedes Hologrammgebiet oder für die gesamte Zellenstruktur eine korrigierende Linsenfunktion kalku- liert und diese beim Kodieren der Zellenstruktur der räumlichen Lichtmodulationsmittel den Kodierdaten für das aktuelle Videohologramm eine korrigierte Brennweite f2 = fi ± fcor überlagert, so dass durch Kodierung eine resultierende Gesamtbrennweite f3 des Systems ergibt, welche die Beleuchtungsmittel in der geänderten Fokusebene abbildet. Wenn die optischen Fokusmittel eine Brennweite fi aufweisen, muss die Brennweite f2 so sein, dass bei vernachlässigbarem Abstand zwischen den Beleuchtungsmitteln und Lentikular gilt: 1/f3 = 1/fi + Mh-
Zum Korrigieren der Systemb rennweite können die Lichtmodulationsmittel auch einen separaten Lichtmodulator enthalten.

Claims

Patentansprüche
1. Holographisches Rekonstruktionssystem zum holographischen Rekonstruieren von Objektelemente einer Szene, welches mit einer diskret kodierbaren Zellen- struktur aus Modulatorzellen in räumlichen Lichtmodulationsmitteln (SLM) wenigstens ein interferenzfähiges Lichtwellenfeld (LW) mit einer Folge von Videohologrammen moduliert, das außerdem beinhaltet:
• Hologrammprozessormittel (HP), welche jedem Objektelement (OP1 , OP2, OP3) der Szene in der Zellenstruktur ein diskretes Hologrammgebiet (H1 , H2, H3) zu- weisen, dessen Ausdehnung und Lage von Daten zur Position des Objektelements in der Szene abhängen, und für die Hologrammgebiete Kodierdaten kalkulieren, so dass jedes Hologrammgebiet der Zellenstruktur eine Teillichtwelle des interferenzfähigen Lichtwellenfeldes moduliert und jede modulierte Teillichtwellen separat das ihr zugewiesene Objektelement rekonstruiert und sich anschließend als Lichtwellenkegel zu einem Sichtbarkeitsbereich (VR) ausbreitet,
• Positionssteuermittel, welche die modulierten Teillichtwellen auf mindestens eine aktuelle Augenposition ausrichten und der Augenposition beim Bewegen des Betrachters nachführen, so dass die vollständig rekonstruierte Szene im Sichtbarkeitsbereich für das Betrachterauge sichtbar ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Hologrammprozessormittel zusätzlich die Positionsdaten der aktuellen Augenpositionen (EP1 , EP2) berücksichtigen,
• um die Ausdehnung und Lage der Hologrammgebiete (H1 , H2, H3) an die aktuelle Augenposition (EP1 , EP2) anzupassen und
• um die Kodierdaten so zu kalkulieren, dass alle Teillichtwellen zur aktuellen Au- genposition laufen, ohne dass Licht aus parasitären Beugungsordnungen in die genutzte Beugungsordnung dringt.
2. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Hologrammprozessormittel die Augenpositionsdaten der aktuellen Augenpositionen be- rücksichtigen, um die Zellenstruktur dynamisch zu kodieren, so dass das Rekonstruktionssystem die modulierten Teil lichtwellen der aktuellen Augenposition innerhalb eines Nachführbereiches nachführt.
3. Hofographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Hologrammprozessormittel die Zellenstruktur dynamisch so kodieren, dass die Lichtwel- lenkegel durch Koinzidenz an der aktuellen Augenposition einem Sichtbarkeitsbereich bilden und bei einer Bewegung der Augen die rekonstruierten Objektelemente durch Neukalkulation der Kodierdaten nachführen.
4. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 3, bei dem der Sichtbarkeitsbereich eine vorbestimmte Ausdehnung hat und die Hologrammprozessormittel die Zellenstruktur dynamisch so kodieren, dass die Ausdehnung des Sicht- barkeitsbereichs unabhängig von einer Entfernung, die ein Betrachter vor den räumlichen Lichtmodulationsmitteln einnimmt, konstant bleibt.
5. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Hologrammprozessormittel für die Hologrammgebiete abhängig von der Position die zu- gewiesenen rekonstruierten Objektelement und abhängig von der Augenposition einen Linsenterm (HOi, H02) kalkulieren und dem Linsenterm einen Prismenterm für die Ausrichtung des rekonstruierten Objektelementes auf die Augenposition überlagern.
6. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die räumlichen Lichtmodulationsmittef mindestens einen räumlichen Lichtmodulator aufweisen, der eine räumliche Phasenmodulation des interferenzfähigen Wellenfeldes (WF) ausführt.
7. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Hologrammprozessormittel Daten zu einer fest definierten Struktur von Objektlichtpunkten der Szene nutzen und für jeden Objektlichtpunkt ein Hologrammgebiet (H1 , H2, H3) kalkulieren, dessen Lage und Ausdehnung sowohl vom axialen Abstand <d1 ) des Objektlichtpunktes OPo als auch vom Abstand (d2) der Augenposition EP zum Lichtmodulator SLM für jedes Hologrammgebiet abhängen.
8. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 7, bei dem die Modulatorzellenstruktur unabhängig vom Inhalt des aktuellen Videohologramms immer eine konstante Menge von diskreten Hologrammgebieten trägt.
9. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 7, bei dem die Menge der diskreten Hologrammgebiete von einer Rasterung abhängt, welche die gewünschte Auflösung der holographischen Konstruktion im Sichtbarkeitsbereich entspricht.
10. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch I 1 bei dem die aus den Hologrammgebieten rekonstruierte Szene ortsfest zum aktuellen Betrachterfenster bleibt.
11. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 bei dem die HoIo- grammprozessormittel nach einer axialen Augenbewegung einen neuen funktionsfähigen Sichtbarkeitsbereich (VR2) generieren, indem die Hologrammprozessormittel die Ausdehnung und Lage der Hologrammgebiete auf der Modulatorzellenstruktur neu definieren und den Wert des kodierten Prismenterms an die aktuelle Augenposition (EP2) anpasst.
12. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Hologrammprozessormittel die Kodierung der Modulatorzellenstruktur bei einem Positionswechsel der Augenposition ändern, um die Ansicht der rekonstruierten Szene an die aktuelle Augenposition (EP2) anzupassen.
13. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Hologrammprozessormittel bei einem lateralen Wechsel zwischen Augenpositionen eine solche Information zur Lage der Hologrammgebiete auf der Modulatorzellenstruktur kalkulieren und kodieren, dass sich der Ort der rekonstruierten Szene im Verhältnis zum Lichtmodulator so ändert, dass im Sichtbarkeitsbereich jeder Augenposition die Szene ein gleichgroßes Blickfeld aufweist.
14. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Hologrammprozessormittel bei einem Wechsel der Augenposition durch Strahlenverfol- gung die Sichtbarkeit der Objektlichtpunkte überprüft und abhängig von der aktuellen Augenposition die Struktur der rekonstruierten Objektlichtpunkte verändert.
15. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem ein sich konvergierend ausbreitendes Lichtwellenfeld die räumlichen Lichtmodulationsmittel beleuchtet.
16. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , mit einem fokus- sierenden Wiedergabeschirm (S), um die Lichtquelle auf das Auge des Betrachters abzubilden.
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