WO2007099457A2 - Projektionsvorrichtung zur holographischen rekonstruktion von szenen - Google Patents

Projektionsvorrichtung zur holographischen rekonstruktion von szenen Download PDF

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    • G03H2226/05—Means for tracking the observer

Definitions

  • the invention relates to a projection device for holographic reconstruction of scenes with at least one light modulation device and with 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 holographic reconstruction of scenes.
  • Holography enables the recording and optical reproduction of three-dimensional objects with wave-optical methods.
  • the reconstruction of the holographic image often called reconstruction, by means of a projection device and depending on the hologram type by illuminating the support medium with sufficiently coherent light.
  • the hologram can be a real or computer-generated hologram (CGH).
  • the consideration of the reconstruction is done directly by the viewer z.
  • look at the computer generated hologram which consists of regularly arranged pixels coded according to the hologram values. Due to the discrete recording, the reconstruction of the CGH is possible only by diffraction within a periodicity interval given by the resolution of the CGH-bearing medium. In the adjacent periodicity intervals, the reconstruction is repeated, usually with disturbances.
  • a projection device with a one-dimensional light modulator for displaying a reconstructed known three-dimensional scene The light modulator is an acousto-optic modulator and is controlled by modulation signals from a data processing system, thereby encoding a one-dimensional hologram.
  • the reconstruction is reduced by means of individual optical elements in order to increase the observer angle in the horizontal direction.
  • a horizontal scanner continuously adds sub-holograms of the scene and equalizes the movement of the sub-holograms along the modulator.
  • the horizontal scanner is synchronized with the speed of the acoustic wave so that the sampled areas of the output image from the modulator appear fixed in the reconstructed scene.
  • a vertical scanner is provided to position the horizontal one-dimensional holograms in the vertical direction.
  • a disadvantage of this projection device is the need for additional elements such as the horizontal scanner to compensate for the signal movement due to the use of an acousto-optic modulator (AOM). This creates a very complex construction. Another disadvantage would be the low aperture of the AOM, which requires a string of sub-holograms.
  • Hologram is intended for an eye of an observer.
  • Light modulators and the viewer are arranged a lens element and a rotating mirror element.
  • the three-dimensional scene arises in the area or on the rotating mirror element.
  • this motion is detected with a position sensing system and the rotating mirror element is rotated about its horizontal or vertical axis in accordance with the observer's new eye position.
  • the view of the three-dimensional scene is displayed according to the new position of the observer on the holograms.
  • the rotating mirror element serves as a screen in this projection device and, at the same time, the tracking of the observer window takes place, the representation of the three-dimensional scene is limited by the extent of the element.
  • the movement of the rotating mirror element can distort the representation of the reconstructed scene, that is to say that the reconstructed scene appears differently from different viewing directions. The viewing of the reconstructed scene is therefore uncomfortable for the viewer.
  • the reconstructed scene is limited by the relatively small size of the two light modulators.
  • Patent Abstracts of Japan 09138631 describes a holographic device for displaying a moving three-dimensional scene, wherein an observation distance from an observer to the scene is to be kept small.
  • the device comprises a light source, a light modulator, imaging elements for imaging the light, and a field lens located near the location of the reconstructed scene. Since here too the field lens serves as a screen, the three-dimensional scene is limited by the extent of the field lens.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device and a method for the holographic reconstruction of scenes, which eliminates the mentioned disadvantages of the prior art and two- or three-dimensional scenes with high image quality, even with movement of one or more observers represented can be, with a simple and inexpensive construction of the projection device is provided.
  • the object is solved by imaging means for mapping a Fourier transform of the light modulated by the light modulator light of the light source on a screen and for mapping the encoded on the light modulation wavefront in at least one virtual viewer window a viewer plane, wherein for tracking the viewer window corresponding to a change of a Eye position of at least one observer at least one deflection means between the light modulation device and the screen is included.
  • the projection device contains at least one light modulation device, which is illuminated by a lighting device with a sufficiently coherent light source.
  • the light modulation device is advantageousously, a spatial light modulator, in particular a phase modulator.
  • the Fourier transform of the light modulated by the light modulation means of the light source is by means of imaging means, in particular lenses and / or mirrors, on an optical element serving as a screen and the encoded on the light modulation wavefront in a virtual viewer window a viewer plane, from which one or several viewers can observe a reconstructed two- or three-dimensional scene, pictured.
  • Virtual viewer window here means that this is not present in reality.
  • the observer window is then tracked with at least one deflection means when the observer (s) moves in accordance with his / her new eye position (s).
  • the deflection means is arranged within the projection device, namely between the light modulation device and the screen.
  • Such deflection means may be mechanical, electrical, magnetic or even optical elements, such as acousto-optic elements.
  • a holographic projection device by means of which a two- or three-dimensional scene with high image quality can be reconstructed simply and quickly and a tracking of the observer window is made possible.
  • Viewer window is disposed within the projection device, this is not sensitive to external influences. Furthermore, the light modulation device used is advantageously an extended spatial one
  • Light modulator and no limited modulator e.g. an acousto-optic modulator, which can avoid additional elements such as a horizontal scanner from US 5,172,251 and their arrangement in the projection device. This makes a simple and compact design possible.
  • the magnification and the size of the screen are selected so that the periodic continuation of the diffraction orders of the Fourier transform is present outside the screen.
  • the advantage then is that the periodic continuation of the diffraction orders is shifted to the outside of the screen and so on the screen only one period is displayed. This means that a viewer does not perceive the periodic repetition of the reconstruction in the diffraction orders. This increases the quality of reproduction compared to conventional devices.
  • the light modulation device is a one-dimensional light modulation device, wherein a deflection element is provided for generating a two-dimensional wavefront for a reconstructed scene, which realizes an optical deflection in the direction perpendicular to the one-dimensional light modulation device.
  • the projection device may comprise a deflection element, advantageously a galvanometer scanner (mirror galvanometer) or a polygon mirror for the rapid deflection of a light beam for generating a two-dimensional wavefront for displaying a reconstructed scene.
  • a deflection element advantageously a galvanometer scanner (mirror galvanometer) or a polygon mirror for the rapid deflection of a light beam for generating a two-dimensional wavefront for displaying a reconstructed scene.
  • the wavefronts of the columns or rows, depending on whether the one-dimensional light modulation device is arranged vertically or horizontally, are thereby lined up by means of the deflection element as a result of each other.
  • a position detection system for determining changes in an observer's eye position in the observer plane may be included in observing the reconstructed scene.
  • the position sensing system tracks changes in the observer's eye position as well as multiple observers while observing the reconstructed scene and encodes the scene according to the viewer's eye position. This is particularly advantageous in order to update the position and / or the content of the reconstructed scene when the eye position changes. Then the viewer window can be tracked according to the new position of the eyes.
  • at least one beam splitter element between the deflection and the light modulation device is arranged, wherein when using a two-dimensional binary light modulation device, the beam splitter element for a colored reconstruction of a scene and another beam splitter element for duplication emerging from the light modulation device Wavefront is included.
  • At least one beam splitter element disposed in the projection apparatus may be used when using a one-dimensional or two-dimensional
  • Light modulation device for a colored reconstruction of the scene can be used.
  • another can be used in addition to the beam splitter element for the colored reconstruction
  • Beam splitter element are provided, which duplicates an emerging from the light modulation device wavefront. This additional
  • Beam splitter element may for example be a grating or a diffractive optical
  • DOE Be element
  • the object according to the invention is further achieved by a method for the holographic reconstruction of scenes, wherein a Fourier transform of the light modulated by the light modulation device light of the light source as a
  • Screen serving optical element is mapped, wherein at least the optical element images the coded wavefront in at least one virtual observer window of a viewer plane, and wherein at least one deflection means tracks the viewer window after changing an eye position of at least one observer in the observer plane.
  • light of a lighting device which emits sufficiently coherent light is directed onto at least one light modulation device.
  • the Fourier transform of the light modulated by the light modulator light of the illumination device on an optical element, in particular a screen, advantageously a mirror is displayed.
  • the in the The light modulator coded wavefront is then imaged by means of the screen into a viewer window of a viewer plane through which a viewer can observe the reconstructed scene, advantageously three-dimensionally.
  • the observer window is then tracked when changing an eye position of at least one observer by means of a deflection means in the observer plane.
  • the advantage of the method according to the invention is that the reconstructed two-dimensional and / or three-dimensional scene can be displayed in a large reconstruction area with a high image quality. Furthermore, the method allows a movement of the viewer in the observer level, so that the reconstructed scene can not be observed only at a fixed location in front of the screen. Thus, it is possible with the inventive method to represent a reconstructed extended three-dimensional scene with real depth representation instead of a depth representation of a known autostereoscopic display with parallax images at least one viewer even with a change of position. By directly modeling the wavefront, the computational transformation falls away into a hologram. In addition, only a Fresnel transformation of the object into the viewer window is necessary for a calculation of the modulated wavefront, and not an additional Fourier transformation of the object wavefront into the hologram, as is the case with projection devices known in the prior art.
  • the reconstructed scene is reconstructed in the zeroth order of diffraction. This is particularly advantageous since in the zeroth diffraction order the brightness is greatest.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a holographic projection device according to the invention with a one-dimensional
  • Light modulation device for the reconstruction of three-dimensional scenes in plan view
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of the projection device shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention
  • Projection device for at least two viewers of a reconstructed scene in plan view
  • Figure 4 is a schematic representation of an inventive
  • Figure 5 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 6 shows a simplified embodiment of the projection device according to the invention according to FIG. 5 in plan view
  • FIG. 7 shows a further possibility of the embodiment of the projection device according to FIG. 5 in plan view
  • FIG. 1 shows a holographic projection device 1 shown in principle for the reconstruction of two-dimensional and / or three-dimensional scenes in plan view.
  • the basic structure of the holographic projection device 1 will first be described below.
  • the projection device 1 has a light modulation device 2, here a phase modulator, which modulates an incident wavefront.
  • the light modulation device 2 is a one-dimensional
  • Light modulation device which is arranged vertically here. It can of course be arranged horizontally.
  • the light modulation device 2 is illuminated by a lighting device 3 with a light source 4, which emits sufficiently coherent light and represents a line light source. Under sufficiently coherent light here light is understood, which is capable of interfering with the holographic representation of a three-dimensional scene.
  • a light source 4 of the illumination device laser diodes, DPSS lasers (diode pumped solid-state lasers) or other lasers can be used. Even light sources with sufficient coherence can be used. However, such light sources should be filtered to achieve a required degree of coherence.
  • the holographic projection apparatus 1 further contains imaging means, in particular an optical system 5.
  • This optical system 5 has, as the simplest system, an imaging means 6 and an optical element 7 serving as a screen.
  • the optical element 7 is referred to below as a screen.
  • the optical system 5 can also have further optical elements, as can be seen and described, for example, in the following explanations.
  • the screen 7 is advantageously designed as a mirror, in particular as a concave mirror.
  • the screen 7 may also be another imaging optical element, such as a lens, as shown here. If the screen 7 is a concave mirror, there is the advantage that the extent of the optical structure of the holographic projection device 1 is substantially reduced compared to a lens-only transmissive device.
  • the imaging means 6 is also designed as a mirror or lens.
  • a wave W emanating from the light source 4 and assumed to be the same applies to the light modulation device 2 and is modulated in such a way that the wave front of the plane wave W is coded at equidistant locations in the light modulation device 2 to form a desired wavefront 8.
  • This wavefront 8 becomes a reconstruction a two- / three-dimensional scene through lens elements 13 and 14 on a deflector 9 shown.
  • Such a deflection element 9 may be a galvanometer scanner, a piezo scanner, a resonance scanner, a micromirror arrangement, a polygon mirror or a similar device, such as acousto-optical, electro-optical or even magnetic device.
  • the deflection element 9 effects an optical deflection of the wavefront 8 in the direction perpendicular to the light modulation device 2 in order to form or generate a two-dimensional wavefront 10.
  • the two-dimensional wavefront 10 is formed by the deflection of a series of parallel one-dimensional wavefronts 10 ', 10 "and 10'" and so on.
  • the optical system 5 then images the two-dimensional wavefront 10 into a viewer's virtual window 11 of a viewer plane 12 in which an eye of a viewer is to observe the reconstructed scene.
  • the sufficiently coherent light of the light source 4 is simultaneously imaged on the screen 7.
  • a Fourier transform FT of the information coded in the wavefront arises.
  • the imaging means 6 of the optical system 5 then images the Fourier transform FT onto a plane 15 on the screen 7.
  • the reconstructed scene may then be viewed by the viewer in an enlarged reconstruction area 16 which is frusto-conical between the viewer window 11 and the screen 7.
  • the reconstructed scene can arise before, on or behind the screen 7.
  • the reconstruction of the three-dimensional scene takes place in the zeroth order of diffraction. This is particularly advantageous because in the zeroth diffraction order the brightness or the intensity of the light is greatest.
  • the deflection element 9 directly into the light modulation device 2. This means that the light modulation device 2 is moved to produce the two-dimensional wavefront 10 as a whole system. The lens elements 13 and 14 can be omitted in this case. The light modulation device 2 is then arranged in the region of the deflection element 9, that is to say in the object-side focal plane of the imaging means 6. A beam splitter element 22 for color reconstruction of the scene can therefore intervene, for example the Uchtmodulations owned 2 and the imaging means 6 are positioned. In this way, the holographic projection apparatus 1 can be made more compact in overall construction.
  • the lens elements 13 and 14 can nevertheless be arranged in the beam path of the holographic projection device 1.
  • the lens elements 13 and 14 have, as can be seen here at the individual focal lengths, the same refractive power to reduce aberrations.
  • the lens elements 13 and 14 may also have different refractive powers or focal lengths in order to change or optimize the size of the one-dimensional wavefront 8 on the deflection element 9.
  • the lens elements 13 and 14 have a further advantage in this case. They then ensure that the wavefront 8 emanating from the light modulation device 2 is imaged onto the deflection element 9 for generating the two-dimensional wavefront 10.
  • an afocal system represented by the lens elements 13 and 14, can be used for imaging the wavefront 8 onto the deflection element 9.
  • the Fourier transform FT of the wavefront 8 is formed.
  • the Fourier transform FT is imaged on the screen 7.
  • the deflection element 9 can also be arranged between the light source 4 and the light modulation device 2. This has the advantage that errors in the coding of the two-dimensional wavefront 10 are thereby largely prevented or reduced, since the incident on the light modulation device 2 planar wavefront W is not encoded.
  • the projection device 1 shown here also has a position detection system 17 for determining an eye position of an observer in the observer plane 12.
  • the position detection system 17 may be, for example, a camera.
  • a deflection means 18 is arranged between the imaging means 6 and the screen 7, in particular in the image-side focal plane of the imaging means 6.
  • the deflection means 18 is individually controllable and advantageously designed as a mirror.
  • the deflection means 18 may be, for example, a galvanometer scanner.
  • the deflector 18 may deflect horizontally or vertically in at least one of the directions. That is, the deflection means 18 in one-dimensional design, either only horizontally or only vertically, the observer window 11 tracks. In a two-dimensional embodiment of the deflection means 18, the viewer window 11 can be tracked in both directions, horizontal and vertical.
  • the deflection means 18 can be designed as an xy galvanometer scanner, or it is also possible to use two successively arranged galvanometer scanners, one for a horizontal and one for a vertical tracking.
  • the deflection element 9 must be synchronized with the deflection means 18 for tracking the observer window 11.
  • a second imaging means 19 connected downstream of the deflection means 18 in the light direction is provided.
  • the second imaging means 19 may be implemented as a lens system as well as a lens system for reducing imaging aberrations. If no second imaging means 19 is provided, then the imaging means 6 must be formed as a lens or lens system.
  • the wavefront W emitted by the light source 4 hits the light modulation device 2 for modulation, whereby the wavefront W is modulated. Thereafter, the modulated wavefront 8 passes through the lens elements 13 and 14 and is imaged by them onto the deflection element 9. At the same time, by means of the lens element 13, the Fourier transform FT of the wavefront 8 is formed in the image-side focal plane of the lens element 13. After the formation of the two-dimensional wavefront 10, it passes through the imaging device 6 and hits the deflection means 18. When the observer moves in the observer plane 12 can be detected via the position detection system 17 this movement.
  • the deflection means 18 can then be controlled with the position detection system 17.
  • an image of the two-dimensional wavefront 10 is formed in a focal plane 20 of the second imaging means 19
  • Two-dimensional image in the focal plane 20 is then imaged via the screen 7 in the viewer window 11.
  • the image of the Fourier transform FT is formed in a image-side focal plane 21 of the imaging means 6.
  • the second imaging means 19 then maps the mapping of the Fourier transform FT onto the screen 7.
  • the above-described holographic projection apparatus 1 has been shown and described only for an eye of an observer. For a pair of eyes of the observer, it is useful to provide a second light modulation device 2.
  • the optical elements of the existing holographic projection device 1 can still be used. If the observer is now in the observer plane 12 and looks through the observer window 11, he can observe the reconstructed three-dimensional scene in the reconstruction area 16, the reconstructed three-dimensional scene being created in front of, on or behind the screen 7.
  • a colored reconstruction of the three-dimensional scene is also possible with the holographic projection apparatus 1.
  • a beam splitter element 22, in particular a prism block is provided in the beam direction in front of the imaging means 6.
  • the beam splitter element 22, which is advantageously designed here as an X prism with dichroic layers, splits red, green and blue light into three separate wavefronts or adds them together to form a common modulated wavefront. It is of course also possible to use another beam splitter element for color reconstruction.
  • the color reconstruction of the scene takes place simultaneously in the three basic colors RGB (red-green-blue).
  • the beam splitter element 22 is arranged in this embodiment between the lens elements 13 and 14, wherein it may of course also be arranged at a different position in the holographic projection device 1.
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the beam splitter element 22 of FIG.
  • three light modulation devices 2R, 2G and 2B for each the three basic colors RGB provided.
  • the three light modulation devices 2R, 2G and 2B are illuminated by three light sources 4R, 4G and 4B.
  • the beam splitter element 22 is arranged between the lens elements 13 and 14.
  • a semitransparent mirror is arranged between the beam splitter element 22 and the lens element 14.
  • the light of the light source is directed to the semitransparent mirror and from there by means of the beam splitter element 22 to the three light modulation devices 2R, 2G, 2B, wherein the beam splitter element 22, the light in the three monochromatic wavefronts 8R, 8G, 8B split.
  • This light modulation device can be illuminated with a light source which has three different-colored light emitting diodes (LED) or a white light LED.
  • at least one optical element for example an acousto-optical element is required, which, for example, transmits the wavefronts to the light modulation device at a different angle of incidence.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the holographic projection apparatus 1, wherein here the construction basically corresponds to the structure of the projection apparatus 1 according to FIG. Therefore, the same parts have the same reference numerals here as well.
  • the holographic projection device 1 shown here in contrast to FIG. 1, is intended for a plurality of viewers. For this purpose, in this embodiment, to simplify the illustration, only the beam paths for two observers and only one one-dimensional wavefront per viewer are shown. In principle, however, more than two observers can observe the reconstructed three-dimensional scene.
  • the viewer window with the letter R stands for the right eye and the viewer window with the letters L for each of the left eye of a viewer.
  • two light modulation devices 2 are contained in the holographic projection device 1 here. These two light modulation devices 2 are illuminated by in each case one illumination device 3 with at least one light source 4.
  • the light sources 4 are independent of each other and have different light incidence angle.
  • the number of light sources 4 per light modulation device 2 is dependent on the number of viewers of the reconstructed scene and is determined by this.
  • a single light modulation device 2 is used for the same observer window, that is to say for the right eyes or respectively for the left eyes of the observer.
  • the light sources 4 illuminate the light modulation device 2 with sufficiently coherent light at different angles of incidence.
  • the angles of incidence of the light of the light sources 4 for the observer windows 11 R and 11 L of the eye pair of a viewer are almost identical. That is, the incident angle of the light sources 4 for generating modulated wavefronts 8L and 23L are different for the viewer windows 11L and 24L.
  • the screen 7, the deflector 9, the lens elements 13 and 14, and the imaging means 6 and 19 can be used for both light modulation devices 2.
  • two deflection means 18 are provided for tracking at least two, in this case three, observer windows 11 R, 11 L and 24 L corresponding to the respective eye position of the observer.
  • the number of deflection means 18 is dependent on the number of viewers. This means that only one deflection means 18 is used per viewer for both eyes, here observer windows 11R and 11L.
  • the second imaging means 19 is arranged in connection with a focusing element 25.
  • the second imaging means 19 is embodied here as a lenticular used for collimating the wavefronts 10R and 10L, wherein both wavefronts 10R and 10L for the left and right eye are guided by a lenticle of the second imaging means 19 assigned to the deflection means 18.
  • the focusing element 25 is used after passing through the two wavefronts 10R and 10L by the corresponding lenticule of the second imaging means 19 for overlapping and focusing of the Fourier transform FT on the screen 7.
  • Another deflection means 18 is provided for tracking the viewer window 24L for a two-dimensional wavefront 26L , to Reduction of aberrations, the focusing element 25 may be replaced by a more complex arrangement of lenses.
  • the focusing element 25 may be formed as Achromat. It is also possible to provide the second imaging means 19 and the focusing element 25, for example, as a single lenticular in the projection device 1.
  • the reconstructed three-dimensional scene arises here as already described under FIG. 1, except that in this exemplary embodiment the holographic projection apparatus 1 is intended for several viewers and therefore the tracking of the viewer windows 11R, 11L and 24L takes place via a plurality of deflection means 18. With the holographic projection apparatus 1 shown here, it is possible to operate three viewer windows simultaneously.
  • the duplication of the wavefronts then takes place after the modulation in the light modulation device 2. This can be done, for example, in the region of the deflection element 9 with the aid of a grating element.
  • the advantage of this solution is that phase defects of wavefronts of the individual light sources 4 on the light modulation devices 2 can be corrected.
  • the deflection means 18, which is designed as a mirror or mirror arrangement, in particular as a galvanometer scanner, can be provided with a light-scattering layer.
  • the deflection means 18 can thus be designed as a mirror which scatters in the horizontal direction.
  • the light-scattering layer can be designed, for example, as a film. The propagation of the scattered light must be perpendicular to the one-dimensional wavefront. Since coherence in a holographic reconstruction is essential, it must not be disturbed by introducing a light-scattering layer.
  • the exemplary embodiments of the invention according to FIGS. 1, 2 and 3 always relate to at least one one-dimensional light modulation device 2 for modulating at least one incident wavefront.
  • the invention can also be realized with two-dimensional light modulation devices.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the holographic projection device 1 in plan view. Also in this embodiment, the projection device 1 is provided for a plurality of viewers in the observer plane 12.
  • the light modulation device 2 is embodied as a two-dimensional binary light modulation device 2.
  • the modulated Wavefront binary coded Since the reproduction of the wavefront is very inaccurate, several different wavefronts are superimposed for a reconstructed scene. A deflection element which serves to produce a two-dimensional wavefront is no longer necessary here.
  • a beam splitter element 27 is provided in addition to the beam splitter element 22, which is provided for splitting the light into its spectral components or for combining, for duplication of a wave front 8R and 8L emerging from the light modulation devices 2 in the projection device 1 included.
  • This beam splitter element 27 is advantageously arranged in the image-side focal plane of the lens element 14 and the imaging means 6 and can be designed, for example, as a grating or diffractive optical element (DOE), in particular as a configurable DOE. It is also possible, instead of the beam splitter element 27, to provide a plurality of light sources 4 for each light modulation device 2 as a function of the number of observers in the observer plane 12. The light of the light sources 4 should then hit the light modulation device 2 at different angles of incidence.
  • DOE diffractive optical element
  • two light modulation devices 2 are included in the projection device 1, wherein a light modulation device 2 for each of the right eye of the viewer and the other light modulation device 2 are provided for each of the left eye of the viewer.
  • the two light modulation devices 2 are each illuminated by a lighting device 3 with a light source 4. Their light is modulated in such a way that the plane waves W are coded at equidistant locations in the light modulation device 2 in each case to a desired wavefront 8R and 8L.
  • wavefronts 8R and 8L are then imaged via the lens elements 13 and 14 onto the beam splitter element 27 for duplication into a plurality of wavefronts 81 R 1 82R 1 83R and 81 L 1 82L 1 83L.
  • the lens elements 13 and 14 advantageously in the focal plane of the lens element 13, the Fourier transform FT of the wavefronts 8R and 8L.
  • the Fourier transform FT are then transmitted via the lens element 14 and the imaging means 6 into the focal plane 21 of the imaging means 6 in the region of three Deflection means 18 shown.
  • the wavefronts 81 R, 82 R, 83 R and 81 L, 82 L 1 83 L are thereby imaged by the imaging means 6 and 19 and the focusing element 25 in the common focal plane 20 of the second imaging means 19 and the focusing element 25, which thereafter on the screen 7 in the observer windows 11 R, 11 L, 24R, 24L, 28R and 28L are imaged onto the eyes of the three observers.
  • the images of the Fourier transform FT from the focal plane 21 are imaged on the screen 7 via the second imaging means 19 and the focusing element 25.
  • the number of deflection means 18 is also dependent on the number of viewers. This means that only one deflection means 18 is used per viewer for both eyes, here observer windows 11 R and 11 L.
  • the three-dimensional scene is reconstructed in the zeroth order of diffraction.
  • the position detection system 17 also detects the change of the positions of the eyes, and controls the deflection means 18 such that the observer windows 11 R, 11 L 1 24R 1 24L, 28R and 28L in the direction of the new position of the eyes the viewer be tracked.
  • a colored reconstruction of the three-dimensional scene can be carried out according to the example described above by means of the beam splitter element 22.
  • only one light modulation device 2 can be provided for reconstructing the scene for one or more observers. Accordingly, then only a single light source for illuminating the light modulation device 2 is necessary.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the projection device 1 is shown in plan view, wherein only a viewer is shown. Basically, several viewers can observe the reconstructed scene.
  • the light modulation devices 2 used here are likewise two-dimensional light modulation devices which, in contrast to binary light modulation devices, permit multi-valued coding and thus directly achieve better reproduction of the wave fronts with only one image by reproducing eg several phase values.
  • the projection device 1, in contrast to Figures 1, 3 and 4 are constructed in a simplified form.
  • a deflection element 9 and a beam splitter element 27 are not more necessary.
  • only a single deflecting means 18 can now serve to track the observer windows 11 R and 11 L or even several observer windows.
  • a light modulation device 2 is provided for the right eye and for the left eye. These two light modulation devices 2 are illuminated by the two light sources 4 of the illumination devices 3 with sufficiently coherent light. On the light modulation means 2 meet the plane waves W, which are coded to the desired wavefronts 8R and 8L. The wavefronts 8R and 8L are then imaged via the lens elements 13 and 14 onto an image-side focal plane 29 which arises between the lens element 14 and the imaging means 6. At the same time, between the lens elements 13 and 14 in the image-side focal plane of the lens element 13, the Fourier transform FT of the wavefronts 8R and 8L are formed.
  • the Fourier transform FT are then imaged via the lens element 14 and the imaging means 6 into the focal plane 21.
  • the wavefronts 8R and 8L are then imaged by the imaging means 6 and 19 in the focal plane 20, which are then imaged via the screen 7 in the viewer window 11 R and 11 L on the eyes of the observer.
  • the images of the Fourier transform FT from the focal plane 21 are imaged on the screen 7 via the second imaging means 19.
  • the wavefronts 8R and 8L for the right and left viewer windows 11R and 11L are imaged simultaneously here. Again, the three-dimensional scene is reconstructed in the zeroth order of diffraction.
  • the position detection system 17 detects the change in the positions of the eyes and controls the deflecting means 18 so as to track the observer windows 1-1 R and 11 L toward the new position of the observer's eyes.
  • a colored reconstruction of the three-dimensional scene can also take place here according to the example described above by means of the beam splitter element 22.
  • the right and left wavefront for the observer windows 11R and 11L are simultaneously displayed to one observer and then to the next observer. Then the next wavefront becomes again the one viewer and then the next viewer etc. shown. Furthermore, it is also possible to successively display the corresponding wavefront for the observer window 11 R of the right eye to all observers and then the corresponding wavefront for the observer window 11 L of the left eye to all observers one after the other. The procedure for displaying the next reconstructed scene is the same.
  • FIG. 6 shows a simplification of the projection device 1 according to FIG. 5, whereby only one viewer is shown here as well. Basically, several viewers can be present.
  • the light modulation devices 2 used here are also two-dimensional light modulation devices, as already mentioned in FIG. Also in this embodiment, only a single deflection means 18 is provided for tracking the viewer window 11 R and 11 L or even multiple viewer window. If, according to FIG. 5, the lens element 14 and the imaging means 6 together form an afocal system, these optical elements, as shown in FIG. 6, can be dispensed with. As a result, a very simplified projection apparatus 1 can be provided, but a correction of aberrations, e.g. chromatic aberration, is made more difficult.
  • aberrations e.g. chromatic aberration
  • a light modulation device 2 is also provided here for the right eye and for the left eye. These two light modulation devices 2 are illuminated by the two light sources 4 of the illumination devices 3 with sufficiently coherent light.
  • the waves W which are coded to the desired wavefronts 8R and 8L, impinge on the light modulation devices 2.
  • the wavefronts 8R and 8L are then imaged via the lens element 13 and the second imaging means 19 in the focal plane 20, which are then imaged via the screen 7 in the viewer window 11 R and 11 L on the eyes of the observer.
  • the Fourier transform FT of the wavefronts 8R and 8L are then imaged on the screen 7 via the second imaging means 19.
  • the wavefronts 8R and 8L are imaged on the right and left viewer windows 11R and 11L simultaneously.
  • the three-dimensional scene is reconstructed in the zeroth order of diffraction.
  • the position detection system 17 detects the change in the positions of the eyes of the observer and controls the deflecting means 18 so as to track the observer windows 11 R and 11 L toward the new position of the observer's eyes.
  • a colored reconstruction of the three-dimensional scene can be carried out according to the example described above by means of the beam splitter element 22.
  • the right and the left wavefront are simultaneously displayed to one observer and then to the next observer by means of the deflecting element 18. After that, the next wavefront is again shown to one viewer and then to the next viewer, and so on.
  • FIG. 7 A further exemplary embodiment of the projection device 1 is shown in FIG. 7, wherein the projection device 1 is shown only for a viewer.
  • the illustrated light modulation devices 2 may be one-dimensional, two-dimensional or two-dimensional binary light modulation devices. If the light modulation devices 2 are designed to be one-dimensional, then two deflection elements 9, as shown in FIGS. 1 and 3, are to be provided. When using two-dimensional binary light modulation devices, it is of great advantage if the light modulation devices 2 are so fast that several viewers can observe the reconstructed scene.
  • the imaging elements of this projection device 1 have a smaller numerical aperture (NA) compared with the projection device 1 according to FIGS. 5 and 6, as a result of which fewer aberrations occur. Since the lens elements 13, 14 and the beam splitter element 22 are duplicated, namely for each light modulation device 2 or for each eye of the observer, and thus the imaging of the wave fronts W in the first part of the projection device 1 is independent of each other, for example, adjustment errors individually for every eye will be corrected.
  • NA numerical aperture
  • the three-dimensional scene is reconstructed by means of a respective light modulation device 2 for the right eye and for the left eye. These two light modulation devices 2 are illuminated by the two light sources 4 of the illumination devices 3 with sufficiently coherent light.
  • the wavefronts W which are modulated such that the desired wavefronts 8R and 8L are formed, impinge on the light modulation devices 2.
  • the wavefronts 8R and 8L are shown in this embodiment only in each case by two beams, ie as half wavefronts.
  • the wavefront 8R is then imaged via the lens elements 13 and 14 onto a image-side focal plane 30 of the lens element 14.
  • a deflection element 31 which is designed as a deflection mirror and is not movable, arranged.
  • the deflecting element 31 reflects the wavefront 8R in the desired direction.
  • the wavefront becomes 8L
  • the Fourier transforms FT of the wavefronts 8R and 8L are then imaged via the lens elements 14 and the imaging means 6 in the focal plane 21.
  • the wavefronts 8R and 8L are then imaged by the imaging means 6 and 19 in the focal plane 20, which are then imaged via the screen 7 in the viewer window 11 R and 11 L to the eyes of the observer.
  • the images of the Fourier transform FT from the focal plane 21 are imaged on the screen 7 via the second imaging means 19.
  • the wavefronts 8R and 8L for the right and left viewer windows 11R and 11L are imaged simultaneously.
  • the three-dimensional scene is reconstructed in the zeroth order of diffraction.
  • the position detecting system 17 detects the change in the positions of the eyes upon movement of the observer.
  • the position detection system also takes over the task of controlling the deflection means 18 and controls it in such a way that the viewer windows 11 R and 11 L are tracked in the direction of the new position of the eyes of the observer.
  • the right and the left wavefront are simultaneously displayed first to a viewer and then to the next observer. After that, the next wavefront is again shown to one viewer and then to the next viewer, and so on.
  • a colored reconstruction of the three-dimensional scene can be carried out according to the examples described above by means of two beam splitter elements 22, which can each be arranged between the lens elements 13 and 14. Of course, they can also be arranged at a different position in the projection device 1.
  • the projection device 1 according to FIG. 7 can also be designed in such a way that unfolded beam paths are present.
  • the lighting devices 3 with the light sources 4 can also be arranged at any position in the projection device 1. If, for example, the light modulation device 2 is not transmissive but reflective, then the illumination device 3 can each be arranged such that the respective emitted wavefront W is guided to the corresponding light modulation device 2 via a deflection element, eg a deflection mirror or a semitransparent mirror.
  • the light source 4 is imaged onto a Fourier plane, wherein the deflection element is arranged in the Fourier plane.
  • at least one optical element such as lens, mirror or the like, may be provided between the deflection element and the light modulation device 2.
  • a deflection element can be arranged in the region of the deflection means 18 or at the location of the beam splitter element 22, whereby the beam splitter element 22 can be provided in front of or behind the deflection element or else in another position in the projection device 1. In this way, the projection device 1 can be made more compact in construction.
  • the light sources 4 of all embodiments can also be generated by a primary light source, not shown here, with the aid of at least one optical element.
  • the reconstructed scene also in a different diffraction order, for example, in the zeroth diffraction order, e.g. in the 1st or -1. Diffraction order, to represent.
  • Possible fields of application of the holographic projection device 1 can be displays for a two-dimensional and / or three-dimensional representation for the private and work area, such as for example computers, television, electronic games, automotive industry for the display of information or entertainment, medical technology, in particular for the Minimally invasive surgery or the spatial representation of tomographically acquired data or for military technology, for example, for the representation of terrain profiles.
  • the present projection device 1 can also be used in other areas not mentioned here.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung (1) zur holographischen Rekonstruktion von Szenen mit wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) und mit wenigstens einer Lichtquelle (4) mit hinreichend kohärentem Licht zum Erzeugen einer in der Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) kodierten Wellenfront (8, 8R, 8G, 8B, 8L) einer Szene. Mittels Abbildungsmittel (6) wird eine Fourier-Transformierte (FT) des durch die Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) modulierten Lichts der Lichtquelle (4) auf einen Bildschirm (7) abgebildet. Ebenfalls wird die auf der Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) kodierte Wellenfront (8, 8R, 8G, 8B, 8L) mittels der Abbildungsmittel (6) in wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster (11, 11R, 11L, 24R, 24L, 28R, 28L) einer Betrachterebene (12) abgebildet. Zur Nachführung des Betrachterfensters (11, 11R, 11L, 24R, 24L, 28R, 28L) entsprechend einer Änderung einer Augenposition wenigstens eines Betrachters ist wenigstens ein Ablenkmittel (18) zwischen der Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) und dem Bildschirm (7) enthalten.

Description

Projektionsvorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von Szenen
Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von Szenen 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 holographischen Rekonstruktion von Szenen.
Die Holographie ermöglicht die Aufzeichnung und optische Wiedergabe von dreidimensionalen Objekten mit wellenoptischen Verfahren. Die Rekonstruktion des holographischen Bildes, oft Rekonstruktion genannt, erfolgt mittels einer Projektionseinrichtung und je nach Hologrammtyp durch Beleuchten des Trägermediums mit hinreichend kohärentem Licht. Das Hologramm kann dabei ein echtes oder computergeneriertes Hologramm (CGH) sein.
In der Regel erfolgt die Betrachtung der Rekonstruktion direkt, indem der Betrachter z. B. auf das computergenerierte Hologramm schaut, das aus regulär angeordneten Pixeln besteht, die entsprechend der Hologrammwerte kodiert sind. Die Rekonstruktion des CGH ist wegen der diskreten Aufzeichnung beugungsbedingt nur innerhalb eines Periodizitätsintervalls möglich, das durch die Auflösung des CGH-tragenden Mediums gegeben ist. In den aneinandergrenzenden Periodizitätsintervallen wird die Rekonstruktion, meist mit Störungen, wiederholt.
Als Aufzeichnungsmedien für CGHs dienen räumliche Lichtmodulatoren, wie beispielsweise LCD, LCoS, usw., welche die Phase und die Amplitude des einfallenden Lichts modulieren. Zur Rekonstruktion einer zwei- oder dreidimensionalen Szene dienen oft auch optische Elemente, welche das CGH in die gewünschte Ebene transformieren. Die Bildwiederholrate der Projektionseinrichtung zur Rekonstruktion der Szene muss ausreichend hoch sein, um eine hohe Bildqualität von bewegten zwei- oder dreidimensionalen Szenen zu erreichen.
Aus der US 5,172,251 ist beispielsweise eine Projektionseinrichtung mit einem eindimensionalen Lichtmodulator zur Darstellung einer rekonstruierten dreidimensionalen Szene bekannt. Der Lichtmodulator ist ein akusto-optischer Modulator und wird von Modulationssignalen eines Datenverarbeitungssystems gesteuert, wodurch ein eindimensionales Hologramm kodiert wird. Die Rekonstruktion wird mittels einzelner optischer Elemente verkleinert, um den Betrachterwinkel in horizontaler Richtung zu vergrößern. Ein horizontaler Scanner fügt kontinuierlich Teilhologramme der Szene aneinander und gleicht die Bewegung der Teilhologramme entlang des Modulators aus. Der horizontale Scanner ist mit der Geschwindigkeit der akustischen Welle synchronisiert, so dass die abgetasteten Bereiche des Ausgangsbildes aus dem Modulator in der rekonstruierten Szene feststehend erscheinen. Weiterhin ist ein vertikaler Scanner vorgesehen, um in vertikaler Richtung die horizontalen eindimensionalen Hologramme zu positionieren.
Nachteilig bei dieser Projektionseinrichtung ist jedoch aufgrund des Einsatzes eines akusto-optischen Modulator (AOM) die Notwendigkeit von zusätzlichen Elementen wie der horizontale Scanner zum Ausgleich der Signalbewegung. Dadurch entsteht eine sehr aufwendige Konstruktion. Ein weiterer Nachteil wäre die geringe Apertur des AOM, die eine Aneinanderreihung von Teilhologrammen erfordert.
Des Weiteren sind Lichtmodulatoren wie aus dem Patent Abstracts of Japan 09068674 A bekannt. Dieser Abstract mit der entsprechend dargestellten Zeichnung beschreibt eine Einrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene mittels zweier räumlicher Lichtmodulatoren (SLM). Jeder Lichtmodulator mit dem entsprechenden
Hologramm ist für ein Auge eines Betrachters bestimmt. Zwischen den
Lichtmodulatoren und dem Betrachter sind ein Linsenelement und ein rotierendes Spiegelelement angeordnet. Die dreidimensionale Szene entsteht im Bereich bzw. auf dem rotierenden Spiegelelement. Bei Bewegung des Betrachters wird diese Bewegung mit einem Positionserfassungssystem erfasst, und das rotierende Spiegelelement wird entsprechend der neuen Augenposition des Betrachters um seine horizontale oder vertikale Achse gedreht. Gleichzeitig wird die Ansicht der dreidimensionalen Szene entsprechend der neuen Position des Betrachters auf den Hologrammen dargestellt.
Da das rotierende Spiegelelement in dieser Projektionseinrichtung als Bildschirm dient und damit gleichzeitig die Nachführung der Betrachterfenster erfolgt, ist die Darstellung der dreidimensionalen Szene durch die Ausdehnung des Elements begrenzt. Außerdem kann durch die Bewegung des rotierenden Spiegelelements die Darstellung der rekonstruierten Szene verfälscht werden, das heißt, dass die rekonstruierte Szene aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen anders erscheint. Die Betrachtung der rekonstruierten Szene ist deshalb unkomfortabel für den Betrachter. Ferner wird die rekonstruierte Szene durch die relativ geringe Größe der beiden Lichtmodulatoren begrenzt.
Der Patent Abstracts of Japan 09138631 beschreibt eine holographische Einrichtung zur Darstellung einer bewegten dreidimensionalen Szene, wobei ein Beobachtungsabstand von einem Beobachter zu der Szene klein gehalten werden soll. Die Einrichtung weist eine Lichtquelle, einen Lichtmodulator, Abbildungselemente zum Abbilden des Lichts und eine Feldlinse auf, die nahe bzw. am Ort der rekonstruierten Szene angeordnet ist. Da auch hier die Feldlinse als Bildschirm dient, wird die dreidimensionale Szene durch die Ausdehnung der Feldlinse begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen zu schaffen, womit die erwähnten Nachteile des Standes der Technik beseitigt und zwei- oder dreidimensionale Szenen mit hoher Bildqualität, auch bei Bewegung eines oder mehrerer Betrachter, dargestellt werden können, wobei ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Projektionsvorrichtung vorgesehen wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Abbildungsmittel zum Abbilden einer Fourier-Transformierten des durch die Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der Lichtquelle auf einen Bildschirm und zum Abbilden der auf der Lichtmodulationseinrichtung kodierten Wellenfront in wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster einer Betrachterebene gelöst, wobei zur Nachführung des Betrachterfensters entsprechend einer Änderung einer Augenposition wenigstens eines Betrachters wenigstens ein Ablenkmittel zwischen der Lichtmodulationseinrichtung und dem Bildschirm enthalten ist.
Die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung enthält wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung, welche von einer Beleuchtungseinrichtung mit einer hinreichend kohärenten Lichtquelle beleuchtet wird. Die Lichtmodulationseinrichtung ist vorteilhafter Weise ein räumlicher Lichtmodulator, insbesondere ein Phasenmodulator. Die Fourier-Transformierte des durch die Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der Lichtquelle wird dabei mittels Abbildungsmittel, insbesondere Linsen und/oder Spiegel, auf ein als Bildschirm dienendes optisches Element und die auf der Lichtmodulationseinrichtung kodierte Wellenfront in ein virtuelles Betrachterfenster einer Betrachterebene, von welcher aus ein oder mehrere Betrachter eine rekonstruierte zwei- oder dreidimensionale Szene beobachten können, abgebildet. Virtuelles Betrachterfenster bedeutet hier, dass dies in der Realität nicht vorhanden ist. Es ist nur ein gedachtes Fenster vor einem oder beiden Augen des Betrachters, in welchem die rekonstruierte Szene mit hinreichender Qualität beobachtet werden kann. Erfindungsgemäß wird dann bei Bewegung der(s) Betrachter(s) entsprechend ihrer (seiner) neuen Augenposition(en) das Betrachterfenster mit wenigstens einem Ablenkmittel nachgeführt. Das Ablenkmittel ist dabei innerhalb der Projektionsvorrichtung, nämlich zwischen der Lichtmodulationseinrichtung und dem Bildschirm, angeordnet. Derartige Ablenkmittel können mechanische, elektrische, magnetische oder auch optische Elemente, wie beispielsweise akusto-optische Elemente, sein.
Auf diese Weise wird eine holographische Projektionsvorrichtung geschaffen, mittels welcher eine zwei- oder dreidimensionale Szene mit hoher Bildqualität einfach und schnell rekonstruiert werden kann und eine Nachführung des Betrachterfensters ermöglicht wird. Dadurch, dass das Ablenkmittel zur Nachführung des
Betrachterfensters innerhalb der Projektionsvorrichtung angeordnet ist, ist dieses nicht empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Des Weiteren ist die eingesetzte Lichtmodulationseinrichtung vorteilhafter Weise ein ausgedehnter räumlicher
Lichtmodulator und kein begrenzter Modulator, wie z.B. ein akusto-optischer Modulator, wodurch sich zusätzliche Elemente wie ein horizontaler Scanner aus der US 5,172,251 und deren Anordnung in der Projektionsvorrichtung vermeiden lassen. Dadurch ist ein einfacher und kompakter Aufbau möglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Abbildungsmaßstab und die Größe des Bildschirms so gewählt sind, dass die periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen der Fourier-Transformierten außerhalb des Bildschirms vorliegt. Der Vorteil besteht dann darin, dass die periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen nach außerhalb des Bildschirms verlagert wird und so auf dem Bildschirm nur eine Periode dargestellt wird. Dies bedeutet, dass ein Betrachter die periodische Wiederholung der Rekonstruktion in den Beugungsordnungen nicht wahrnimmt. Dadurch wird die Wiedergabequalität gegenüber konventionellen Einrichtungen erhöht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die Lichtmodulationseinrichtung eine eindimensionale Lichtmodulationseinrichtung ist, wobei zur Erzeugung einer zweidimensionalen Wellenfront für eine rekonstruierte Szene ein Ablenkelement enthalten ist, welches eine optische Ablenkung in Richtung senkrecht zu der eindimensionalen Lichtmodulationseinrichtung realisiert.
Wenn eine eindimensionale räumliche Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, kann die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung ein Ablenkelement, vorteilhafter Weise einen Galvanometer-Scanner (Spiegelgalvanometer) oder einen Polygonspiegel zur schnellen Ablenkung eines Lichtstrahls, zwecks Erzeugung einer zweidimensionalen Wellenfront zur Darstellung einer rekonstruierten Szene, aufweisen. Die Wellenfronten der Spalten oder Zeilen, je nachdem ob die eindimensionale Lichtmodulationseinrichtung vertikal oder horizontal angeordnet ist, werden dabei mittels des Ablenkelements als Folge aneinander gereiht.
Um das Betrachterfenster in einem großen Bereich für den Betrachter bzw. die Betrachter verfügbar zu machen, kann ein Positionserfassungssystem zur Bestimmung von Änderungen einer Augenposition des Betrachters in der Betrachterebene beim Beobachten der rekonstruierten Szene enthalten sein.
Das Positionserfassungssystem verfolgt Änderungen der Augenposition des Betrachters wie auch mehrerer Betrachter beim Beobachten der rekonstruierten Szene und kodiert die Szene entsprechend der Augenposition der Betrachter. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um bei Änderung der Augenposition die Lage und/oder den Inhalt der rekonstruierten Szene entsprechend zu aktualisieren. Daraufhin kann das Betrachterfenster entsprechend der neuen Position der Augen nachgeführt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Strahlteilerelement zwischen dem Ablenkmittel und der Lichtmodulationseinrichtung angeordnet ist, wobei bei Verwendung einer zweidimensionalen binären Lichtmodulationseinrichtung das Strahlteilerelement für eine farbige Rekonstruktion einer Szene und ein weiteres Strahlteilerelement zur Vervielfältigung einer aus der Lichtmodulationseinrichtung austretenden Wellenfront enthalten ist.
Wenigstens ein in der Projektionsvorrichtung angeordnetes Strahlteilerelement kann bei Verwendung einer eindimensionalen oder zweidimensionalen
Lichtmodulationseinrichtung für eine farbige Rekonstruktion der Szene eingesetzt werden. Bei Verwendung einer zweidimensionalen binären Lichtmodulationseinrichtung kann neben dem Strahlteilerelement für die farbige Rekonstruktion ein weiteres
Strahlteilerelement vorgesehen werden, welches eine aus der Lichtmodulationseinrichtung austretende Wellenfront vervielfältigt. Dieses zusätzliche
Strahlteilerelement kann beispielsweise ein Gitter oder ein diffraktives optisches
Element (DOE) sein.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen gelöst, wobei eine Fourier-Transformierte des durch die Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der Lichtquelle auf ein als
Bildschirm dienendes optisches Element abgebildet wird, wobei wenigstens das optische Element die kodierte Wellenfront in wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster einer Betrachterebene abbildet, und wobei wenigstens ein Ablenkmittel das Betrachterfenster nach Änderung einer Augenposition wenigstens eines Betrachters in der Betrachterebene nachführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen Licht einer Beleuchtungseinrichtung, welche hinreichend kohärentes Licht aussendet, auf wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung geleitet. Danach wird die Fourier- Transformierte des durch die Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der Beleuchtungseinrichtung auf einem optischen Element, insbesondere einem Bildschirm, vorteilhafter Weise einem Spiegel, abgebildet. Die in der Lichtmodulationseinrichtung kodierte Wellenfront wird danach mit Hilfe des Bildschirms in ein Betrachterfenster einer Betrachterebene, durch welches ein Betrachter die rekonstruierte Szene, vorteilhafter Weise dreidimensional, beobachten kann, abgebildet. Das Betrachterfenster wird dann bei Änderung einer Augenposition wenigstens eines Betrachters mit Hilfe eines Ablenkmittels in der Betrachterebene nachgeführt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die rekonstruierte zweidimensionale und/oder dreidimensionale Szene in einem großen Rekonstruktionsbereich mit einer hohen Bildqualität dargestellt werden kann. Des Weiteren ermöglicht das Verfahren eine Bewegung der Betrachter in der Betrachterebene, so dass die rekonstruierte Szene nicht nur an einem festen Ort vor dem Bildschirm beobachtet werden kann. Somit ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, eine rekonstruierte ausgedehnte dreidimensionale Szene mit realer Tiefedarstellung anstelle von einer Tiefendarstellung eines bekannten autostereoskopischen Displays mit Parallaxebildern wenigstens einem Betrachter auch bei einem Positionswechsel darzustellen. Dadurch, dass die Wellenfront direkt modelliert wird, fällt die rechnerische Transformation in ein Hologramm weg. Außerdem ist zu einer Berechnung der modulierten Wellenfront nur eine Fresnel-Transformation des Objekts in das Betrachterfenster notwendig und nicht wie bei im Stand der Technik bekannten Projektionseinrichtungen eine zusätzliche Fourier-Transformation der Objektwellenfront in das Hologramm.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die rekonstruierte Szene in der nullten Beugungsordnung rekonstruiert wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da in der nullten Beugungsordnung die Helligkeit am größten ist.
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 einer erfindungsgemäßen holographischen Projektionsvorrichtung mit einer eindimensionalen
Lichtmodulationseinrichtung zur Rekonstruktion von dreidimensionalen Szenen in der Draufsicht;
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der in Figur 1 dargestellten Projektionsvorrichtung;
Figur 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Projektionsvorrichtung für wenigstens zwei Betrachter einer rekonstruierten Szene in der Draufsicht;
Figur 4 eine prinzipmäßige Darstellung einer erfindungsgemäßen
Projektionsvorrichtung mit einer zweidimensionalen binären
Lichtmodulationseinrichtung in der Draufsicht;
Figur 5 eine prinzipmäßige Darstellung einer erfindungsgemäßen
Projektionsvorrichtung mit einer zweidimensionalen
Lichtmodulationseinrichtung in der Draufsicht;
Figur 6 eine vereinfachte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung gemäß Figur 5 in der Draufsicht;
Figur 7 eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Projektionsvorrichtung gemäß Figur 5 in der Draufsicht;
Figur 1 zeigt eine prinzipmäßig dargestellte holographische Projektionsvorrichtung 1 zur Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen in der Draufsicht. Zum besseren Verständnis ist die holographische Projektionsvorrichtung 1 in der Figur 1 und in den nachfolgenden Figuren vereinfacht als transmissive Vorrichtung dargestellt. Im nachfolgenden wird zunächst der Grundaufbau der holographischen Projektionsvorrichtung 1 beschrieben. Die Projektionsvorrichtung 1 weist eine Lichtmodulationseinrichtung 2, hier ein Phasenmodulator, welche eine einfallende Wellenfront moduliert, auf. Wie in diesem Ausführungsbeispiel erkennbar, ist die Lichtmodulationseinrichtung 2 eine eindimensionale
Lichtmodulationseinrichtung, welche hier vertikal angeordnet ist. Sie kann selbstverständlich auch horizontal angeordnet sein. Die Lichtmodulationseinrichtung 2 wird von einer Beleuchtungseinrichtung 3 mit einer Lichtquelle 4, welche hinreichend kohärentes Licht aussendet und eine Linienlichtquelle darstellt, beleuchtet. Unter hinreichend kohärentem Licht wird hier Licht verstanden, welches interferenzfähig für die holographische Darstellung einer dreidimensionalen Szene ist. Als Lichtquelle 4 der Beleuchtungseinrichtung 3 können Laserdioden, DPSS-Laser (Diode Pumped Solid- State-Laser) oder auch andere Laser eingesetzt werden. Auch Lichtquellen mit hinreichender Kohärenz können eingesetzt werden. Jedoch sollten derartige Lichtquellen gefiltert werden, um einen erforderlichen Kohärenzgrad zu erreichen. Die holographische Projektionsvorrichtung 1 enthält weiterhin Abbildungsmittel, insbesondere ein optisches System 5. Dieses optische System 5 weist als einfachstes System ein Abbildungsmittel 6 und ein als Bildschirm dienendes optisches Element 7 auf. Das optische Element 7 wird im nachfolgenden als Bildschirm bezeichnet. Selbstverständlich kann das optische System 5 auch weitere optische Elemente aufweisen, wie beispielsweise in den nachfolgenden Ausführungen ersichtlich und beschrieben. Der Bildschirm 7 ist vorteilhaft als Spiegel, insbesondere als Konkavspiegel, ausgeführt. Selbstverständlich kann der Bildschirm 7 auch ein anderes abbildendes, optisches Element, beispielsweise eine Linse, wie hier dargestellt, sein. Ist der Bildschirm 7 ein Konkavspiegel, so besteht der Vorteil, dass die Ausdehnung des optischen Aufbaus der holographischen Projektionsvorrichtung 1 im Vergleich zu einer transmissiven Vorrichtung mit ausschließlich Linsen wesentlich reduziert wird. Der Bildschirm 7 sollte jedoch keine streuende Oberfläche aufweisen, damit eine von der Lichtmodulationseinrichtung 2 ausgehende Wellenfront 8 nicht zerstört wird. Das Abbildungsmittel 6 ist ebenfalls als Spiegel oder Linse ausgeführt. Eine von der Lichtquelle 4 ausgehende und als eben angenommene Welle W trifft auf die Lichtmodulationseinrichtung 2 und wird derart moduliert, dass dabei die Wellenfront der ebenen Welle W an äquidistanten Orten in der Lichtmodulationseinrichtung 2 zu einer gewünschten Wellenfront 8 kodiert wird. Diese Wellenfront 8 wird zur Rekonstruktion einer zwei-/dreidimensionalen Szene durch Linsenelemente 13 und 14 auf ein Ablenkelement 9 abgebildet. Ein derartiges Ablenkelement 9 kann ein Galvanometer- Scanner, ein Piezo-Scanner, ein Resonanz-Scanner, eine Mikrospiegelanordnung, ein Polygonspiegel oder eine ähnliche Einrichtung, wie beispielsweise akusto-optische, elektro-optische oder auch magnetische Einrichtung, sein. Das Ablenkelement 9 bewirkt eine optische Ablenkung der Wellenfront 8 in Richtung senkrecht zu der Lichtmodulationseinrichtung 2, um eine zweidimensionale Wellenfront 10 zu bilden bzw. zu erzeugen. Die zweidimensionale Wellenfront 10 wird durch die Ablenkung aus einer Folge von parallel zueinander angeordneten eindimensionalen Wellenfronten 10', 10" und 10'" usw. gebildet. Das optische System 5 bildet danach die zweidimensionale Wellenfront 10 in ein virtuelles Betrachterfenster 11 einer Betrachterebene 12 ab, in welchem sich ein Auge eines Betrachters zum Beobachten der rekonstruierten Szene befindet. Das hinreichend kohärente Licht der Lichtquelle 4 wird dabei gleichzeitig auf dem Bildschirm 7 abgebildet. Zwischen den Linsenelementen 13 und 14 in der bildseitigen Brennebene des Linsenelements 13 entsteht dabei eine Fourier- Transformierte FT der in der Wellenfront kodierten Information. Das Abbildungsmittel 6 des optischen Systems 5 bildet dann die Fourier-Transformierte FT auf eine Ebene 15 auf dem Bildschirm 7 ab. Die rekonstruierte Szene kann dann von dem Betrachter in einem vergrößerten Rekonstruktionsbereich 16, welcher sich kegelstumpfförmig zwischen dem Betrachterfenster 11 und dem Bildschirm 7 aufspannt, betrachtet werden. Die rekonstruierte Szene kann dabei vor, auf oder hinter dem Bildschirm 7 entstehen.
Die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene erfolgt dabei in der nullten Beugungsordnung. Dies ist besonders vorteilhaft, da in der nullten Beugungsordnung die Helligkeit bzw. die Intensität des Lichts am größten ist.
Es ist auch möglich, das Ablenkelement 9 direkt in die Lichtmodulationseinrichtung 2 zu integrieren. Dies bedeutet, dass die Lichtmodulationseinrichtung 2 zur Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront 10 als ganzes System bewegt wird. Die Linsenelemente 13 und 14 können in diesem Fall entfallen. Die Lichtmodulationseinrichtung 2 ist dann im Bereich des Ablenkelements 9, also in der objektseitigen Brennebene des Abbildungsmittels 6 angeordnet. Ein Strahlteilerelement 22 zur farbigen Rekonstruktion der Szene kann demzufolge beispielsweise zwischen der Uchtmodulationseinrichtung 2 und dem Abbildungsmittel 6 positioniert werden. Auf diese Weise kann die holographische Projektionsvorrichtung 1 im Gesamtaufbau kompakter gestaltet werden.
Zusätzlich können aber dennoch im Strahlengang der holographischen Projektionsvorrichtung 1 die Linsenelemente 13 und 14 angeordnet sein. Die Linsenelemente 13 und 14 weisen, wie hier an den einzelnen Brennweiten erkennbar, zur Reduzierung von Abbildungsfehlern gleiche Brechkraft auf. Jedoch können die Linsenelemente 13 und 14 auch unterschiedliche Brechkraft bzw. Brennweiten aufweisen, um die Größe der eindimensionalen Wellenfront 8 auf dem Ablenkelement 9 zu verändern bzw. zu optimieren. Die Linsenelemente 13 und 14 weisen einen weiteren Vorteil in diesem Fall auf. Sie sorgen dann dafür, dass die von der Lichtmodulationseinrichtung 2 ausgehende Wellenfront 8 auf das Ablenkelement 9 zur Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront 10 abgebildet wird. Zur Abbildung der Wellenfront 8 auf das Ablenkelement 9 kann ein afokales System, durch die Linsenelemente 13 und 14 dargestellt, eingesetzt werden. In der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 13 entsteht dabei die Fourier-Transformierte FT der Wellenfront 8. Mittels des Linsenelementes 14 und des Abbildungsmittels 6 wird die Fourier-Transformierte FT auf dem Bildschirm 7 abgebildet.
Das Ablenkelement 9 kann aber auch zwischen der Lichtquelle 4 und der Lichtmodulationseinrichtung 2 angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass dadurch Fehler bei der Kodierung der zweidimensionalen Wellenfront 10 weitestgehend verhindert bzw. reduziert werden, da die auf die Lichtmodulationseinrichtung 2 auftreffende ebene Wellenfront W noch nicht kodiert ist.
Die hier dargestellte Projektionsvorrichtung 1 weist außerdem ein Positionserfassungssystem 17 zur Bestimmung einer Augenposition eines Betrachters in der Betrachterebene 12 auf. Das Positionserfassungssystem 17 kann beispielsweise eine Kamera sein. Zur Nachführung des Betrachterfensters 11 bei der Änderung der Augenposition des Betrachters ist ein Ablenkmittel 18 zwischen dem Abbildungsmittel 6 und dem Bildschirm 7, insbesondere in der bildseitigen Brennebene des Abbildungsmittels 6, angeordnet. Das Ablenkmittel 18 ist individuell ansteuerbar und vorteilhaft als Spiegel ausgeführt. Zum Nachführen des Betrachterfensters 11 wird ein sehr präzise arbeitendes Ablenkmittel benötigt. Aus diesem Grunde kann das Ablenkmittel 18 beispielsweise ein Galvanometer-Scanner sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Ablenkmittel, wie z.B. MEMS-Anordnungen, Polygonscanner oder eine akusto-optische Anordnung, zu verwenden. Ebenso kann das Ablenkmittel 18 in wenigstens einer der Richtungen horizontal oder vertikal ablenken. Das heißt, dass das Ablenkmittel 18 bei eindimensionaler Ausführung entweder nur horizontal oder nur vertikal das Betrachterfenster 11 nachführt. Bei einer zweidimensionalen Ausführung des Ablenkmittels 18 kann das Betrachterfenster 11 in beiden Richtungen, horizontal und vertikal, nachgeführt werden. Dazu kann das Ablenkmittel 18 als xy- Galvanometer-Scanner ausgeführt sein, oder es ist auch möglich, zwei hintereinander angeordnete Galvanometer-Scanner, einen für eine horizontale und einen für eine vertikale Nachführung, einzusetzen. Das Ablenkelement 9 muss zur Nachführung des Betrachterfensters 11 mit dem Ablenkmittel 18 synchronisiert sein. Es ist weiterhin ein dem Ablenkmittel 18 in Lichtrichtung nachgeschaltetes zweites Abbildungsmittel 19 vorgesehen. Da die Vergrößerung zur Abbildung der Fourier-Transformierten FT auf dem Bildschirm 7 sehr groß sein muss, kann das zweite Abbildungsmittel 19 anstatt als Linse auch als ein Linsensystem zur Reduzierung von Abbildungsfehlern ausgeführt sein. Ist kein zweites Abbildungsmittel 19 vorgesehen, dann muss das Abbildungsmittel 6 als Linse oder Linsensystem ausgebildet sein.
Im nachfolgenden wird die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene anhand dieses Ausführungsbeispiels detaillierter beschrieben. Die von der Lichtquelle 4 ausgesandte Wellenfront W trifft zur Modulation auf die Lichtmodulationseinrichtung 2, wodurch die Wellenfront W moduliert wird. Danach tritt die modulierte Wellenfront 8 durch die Linsenelemente 13 und 14 und wird von diesen auf das Ablenkelement 9 abgebildet. Gleichzeitig entsteht mittels des Linsenelements 13 die Fourier-Transformierte FT der Wellenfront 8 in der bildseitigen Brennebene des Linsenelements 13. Nach der Bildung der zweidimensionalen Wellenfront 10 trifft diese nach Durchtritt durch das Abbildungsmittel 6 auf das Ablenkmittel 18. Bei Bewegung des Betrachters in der Betrachterebene 12 kann über das Positionserfassungssystem 17 diese Bewegung detektiert werden. Zur Nachführung des Betrachterfensters 11 kann dann mit dem Positionserfassungssystem 17 das Ablenkmittel 18 gesteuert werden. Mittels der Abbildungsmittel 6 und 19 entsteht dabei in einer Brennebene 20 des zweiten Abbildungsmittels 19 ein Bild der zweidimensionalen Wellenfront 10. Dieses zweidimensionale Bild in der Brennebene 20 wird dann über den Bildschirm 7 in das Betrachterfenster 11 abgebildet. Gleichzeitig entsteht in einer bildseitigen Brennebene 21 des Abbildungsmittels 6 die Abbildung der Fourier-Transformierten FT. Das zweite Abbildungsmittel 19 bildet dann die Abbildung der Fourier-Transformierten FT auf den Bildschirm 7 ab.
Die oben beschriebene holographische Projektionsvorrichtung 1 wurde nur für ein Auge eines Betrachters dargestellt und beschrieben. Für ein Augenpaar des Betrachters ist es sinnvoll, eine zweite Lichtmodulationseinrichtung 2 vorzusehen. Die optischen Elemente der bestehenden holographischen Projektionsvorrichtung 1 können weiter benutzt werden. Befindet sich der Betrachter nun in der Betrachterebene 12 und blickt durch das Betrachterfenster 11 , so kann er die rekonstruierte dreidimensionale Szene im Rekonstruktionsbereich 16 beobachten, wobei die rekonstruierte dreidimensionale Szene in Lichtrichtung vor, auf oder hinter dem Bildschirm 7 entsteht. Es ist aber auch möglich, nur mit einer einzigen Lichtmodulationseinrichtung einem Augenpaar des Betrachters die rekonstruierte Szene darzustellen, wobei die Lichtmodulationseinrichtung 2 horizontal angeordnet ist.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene ist mit der holographischen Projektionsvorrichtung 1 ebenfalls möglich. Dafür ist in Figur 1 ein Strahlteilerelement 22, insbesondere ein Prismenblock, in Strahlrichtung vor dem Abbildungsmittel 6 vorgesehen. Das Strahlteilerelement 22, welches hier vorteilhaft als X-Prisma mit dichroitischen Schichten ausgeführt ist, splittet rotes, grünes und blaues Licht in drei separate Wellenfronten auf bzw. fügt diese zu einer gemeinsamen modulierten Wellenfront zusammen. Es ist selbstverständlich auch möglich, ein anderes Strahlteilerelement zur farbigen Rekonstruktion einzusetzen. Die farbige Rekonstruktion der Szene erfolgt dabei simultan in den drei Grundfarben RGB (rotgrün-blau). Das Strahlteilerelement 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Linsenelementen 13 und 14 angeordnet, wobei es selbstverständlich auch an anderer Position in der holographischen Projektionsvorrichtung 1 angeordnet sein kann.
In Figur 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Strahlteilerelementes 22 von Figur 1 dargestellt. Dabei werden zur simultanen farbigen Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G und 2B für jede der drei Grundfarben RGB vorgesehen. Die drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G und 2B werden von drei Lichtquellen 4R, 4G und 4B beleuchtet. Das Strahlteilerelement 22 führt nach der Modulation von einzelnen zugehörigen Wellenfronten 8R, 8G und 8B an den Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G und 2B diese zur Weiterführung auf das Linsenelement 14 zusammen. Es ist ebenfalls möglich, dass nur eine Lichtquelle, insbesondere eine Weißlichtquelle, zur farbigen Rekonstruktion eingesetzt wird. Dabei wird auch hier das Strahlteilerelement 22 zwischen den Linsenelementen 13 und 14 angeordnet. Zwischen dem Strahlteilerelement 22 und dem Linsenelement 14 ist jedoch ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet. Zur Beleuchtung der drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G, 2B und Modulation der Wellenfronten wird das Licht der Lichtquelle auf den halbdurchlässigen Spiegel gelenkt und von dort mittels des Strahlteilerelements 22 auf die drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G, 2B geleitet, wobei das Strahlteilerelement 22 das Licht in die drei monochromatischen Wellenfronten 8R, 8G, 8B aufsplittet. Ferner ist es auch möglich, zur farbigen Rekonstruktion nicht drei, sondern nur eine einzige Lichtmodulationseinrichtung vorzusehen, wobei diese Möglichkeit nicht dargestellt ist. Diese Lichtmodulationseinrichtung kann mit einer Lichtquelle, welche drei verschiedenfarbige Leuchtdioden (LED) oder eine Weißlicht- LED aufweist, beleuchtet werden. Zusätzlich wird jedoch noch wenigstens ein optisches Element, beispielsweise ein akusto-optisches Element benötigt, welches zum Beispiel die Wellenfronten in einem unterschiedlichen Einfallswinkel auf die Lichtmodulationseinrichtung sendet.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der holographischen Projektionsvorrichtung 1 dargestellt, wobei hier der Aufbau grundsätzlich dem Aufbau der Projektionsvorrichtung 1 gemäß Figur 1 entspricht. Deshalb weisen auch hier gleiche Teile gleiche Bezugszeichen auf. Die hier gezeigte holographische Projektionsvorrichtung 1 ist im Gegensatz zu der Figur 1 für mehrere Betrachter vorgesehen. Dazu sind in diesem Ausführungsbeispiel zur Vereinfachung der Darstellung nur die Strahlengänge für zwei Betrachter und jeweils nur eine eindimensionale Wellenfront pro Betrachter dargestellt. Grundsätzlich können aber auch mehr als zwei Betrachter die rekonstruierte dreidimensionale Szene beobachten. Das Betrachterfenster mit dem Buchstaben R steht für das rechte Auge und die Betrachterfenster mit den Buchstaben L für jeweils das linke Auge eines Betrachters. Zur Darstellung der rekonstruierten dreidimensionalen Szene sind hier zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 in der holographischen Projektionsvorrichtung 1 enthalten. Diese zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden von jeweils einer Beleuchtungseinrichtung 3 mit wenigstens einer Lichtquelle 4 beleuchtet. Die Lichtquellen 4 sind dabei unabhängig voneinander und weisen unterschiedliche Lichteinfallswinkel auf. Die Anzahl der Lichtquellen 4 pro Lichtmodulationseinrichtung 2 ist dabei abhängig von der Anzahl der Betrachter der rekonstruierten Szene und wird durch diese bestimmt. Für zwei oder mehrere Betrachter wird eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 für jeweils das gleiche Betrachterfenster, das heißt jeweils für die rechten Augen oder jeweils für die linken Augen der Betrachter, genutzt. Die Lichtquellen 4 beleuchten mit hinreichend kohärentem Licht in unterschiedlichen Einfallswinkeln die Lichtmodulationseinrichtung 2. Die Einfallswinkel des Lichts der Lichtquellen 4 für die Betrachterfenster 11 R und 11 L des Augenpaares eines Betrachters sind dabei nahezu gleich. Das heißt, dass der Einfallswinkel der Lichtquellen 4 zur Erzeugung von modulierten Wellenfronten 8L und 23L für die Betrachterfenster 11 L und 24L verschieden sind. Der Bildschirm 7, das Ablenkelement 9, die Linsenelemente 13 und 14 sowie die Abbildungsmittel 6 und 19 können für beide Lichtmodulationseinrichtungen 2 verwendet werden.
Im Unterschied zu Figur 1 sind zur Nachführung von wenigstens zwei, hier drei, Betrachterfenstern 11 R, 11 L und 24L entsprechend der jeweiligen Augenposition der Betrachter zwei Ablenkmittel 18 vorgesehen. Die Anzahl der Ablenkmittel 18 ist dabei von der Anzahl der Betrachter abhängig. Dies bedeutet, dass pro Betrachter nur ein Ablenkmittel 18 für beide Augen, hier Betrachterfenster 11R und 11 L, verwendet wird. In Strahlrichtung hinter den Ablenkmitteln 18 ist das zweite Abbildungsmittel 19 in Verbindung mit einem Fokussierelement 25 angeordnet. Das zweite Abbildungsmittel 19 ist hier als zur Kollimation der Wellenfronten 10R und 10L dienendes Lentikular ausgeführt, wobei beide Wellenfronten 10R und 10L für das linke und rechte Auge durch ein dem Ablenkmittel 18 zugeordnetes Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 19 geführt werden. Das Fokussierelement 25 dient nach Durchtritt der beiden Wellenfronten 10R und 10L durch das entsprechende Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 19 zur Überlappung und Fokussierung der Fourier-Transformierten FT auf dem Bildschirm 7. Ein weiteres Ablenkmittel 18 ist zur Nachführung des Betrachterfensters 24L für eine zweidimensionale Wellenfront 26L vorgesehen. Zur Reduzierung von Abbildungsfehlern kann das Fokussierelement 25 durch eine komplexere Anordnung von Linsen ersetzt werden. Beispielsweise kann das Fokussierelement 25 als Achromat ausgebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, das zweite Abbildungsmittel 19 und das Fokussierelement 25 beispielsweise als einzelnes Lentikular in der Projektionsvorrichtung 1 vorzusehen.
Die rekonstruierte dreidimensionale Szene entsteht hier wie bereits unter Figur 1 beschrieben, außer dass in diesem Ausführungsbeispiel die holographische Projektionsvorrichtung 1 für mehrere Betrachter vorgesehen ist und deshalb die Nachführung der Betrachterfenster 11R, 11L und 24L über mehrere Ablenkmittel 18 geschieht. Mit der hier dargestellten holographischen Projektionsvorrichtung 1 wird ermöglicht, drei Betrachterfenster gleichzeitig zu bedienen.
Anstatt Lichtquellen 4 zu nutzen, welche hinreichend kohärentes Licht aussenden, das unter verschiedenen Einfallswinkeln jeweils auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 trifft, ist es auch möglich, eine einzige Lichtquelle 4 für jede
Lichtmodulationseinrichtung 2 vorzusehen. Die Vervielfältigung der Wellenfronten geschieht dann nach der Modulation in der Lichtmodulationseinrichtung 2. Dies kann beispielsweise im Bereich des Ablenkelements 9 mit Hilfe eines Gitterelementes vorgenommen werden. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass Phasendefekte von Wellenfronten der einzelnen Lichtquellen 4 auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 korrigiert werden können.
Bezüglich der Figuren 1 und 3 kann das Ablenkmittel 18, welches als Spiegel bzw. Spiegelanordnung, insbesondere als Galvanometer-Scanner ausgebildet ist, mit einer lichtstreuenden Schicht versehen sein. Das Ablenkmittel 18 kann somit als Spiegel ausgeführt sein, der in horizontaler Richtung streut. Die lichtstreuende Schicht kann dabei z.B. als Folie ausgeführt sein. Die Ausbreitung des gestreuten Lichts muss senkrecht zu der eindimensionalen Wellenfront erfolgen. Da die Kohärenz bei einer holographischen Rekonstruktion wesentlich ist, darf diese nicht durch Einbringung einer lichtstreuenden Schicht gestört werden. Dadurch ist es jedoch möglich, eine Ausdehnung bzw. Vergrößerung der Betrachterfenster 11 , 11 R, 11 L, 24L in nichtkohärenter Richtung zu erreichen, wobei die Betrachterfenster 11 , 11 R, 11 L, 24L in der anderen Richtung durch die Ausdehnung der Beugungsordnungen begrenzt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtmodulationseinrichtung 2 horizontal angeordnet ist. Auf diese Weise kann in vertikaler, nicht-kohärenter Richtung eine Aufweitung der einzelnen Betrachterfenster 11 , 11 R, 11 L, 24L ermöglicht werden. Deshalb ist es bei dieser Anordnung der Lichtmodulationseinrichtung 2 nicht mehr notwendig, die Betrachterfenster 11 , 11 R, 11 L, 24L entsprechend der vertikalen Position des Betrachters vertikal nachzuführen, da die Betrachterfenster 11 , 11 R, 11 L, 24L in dieser Richtung eine große Ausdehnung aufweisen. Es besteht auch die Möglichkeit die lichtstreuende Schicht auf dem Bildschirm 7 aufzubringen, welcher dann nicht nur zur Abbildung und Darstellung dient, sondern auch die Fourier- Transformierte der Wellenfront in nicht-kohärenter Richtung streut.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten für das zeitliche Multiplexing der Zeilen bzw. Spalten der modulierten Wellenfront 8 bei der Realisierung von zweidimensionalen Wellenfronten eines Teilbildes der rekonstruierten dreidimensionalen Szene für jeweils zwei oder mehrere Betrachter durch das Ablenkelement 9 im Zusammenspiel mit der eindimensionalen Lichtmodulationseinrichtung 2 und/oder dem Ablenkmittel 18. Es wird die zweidimensionale Wellenfront eines Teilbildes erst für einen Betrachter und dann für einen anderen Betrachter vollständig aufgebaut. Weiterhin ist es möglich, dass die den einzelnen Betrachtern zugehörigen Zeilen bzw. Spalten der modulierten Wellenfront eines Teilbildes abwechselnd nacheinander dargestellt werden.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß den Figuren 1 , 2 und 3 beziehen sich immer auf wenigstens eine eindimensionale Lichtmodulationseinrichtung 2 zur Modulation wenigstens einer einfallenden Wellenfront. Die Erfindung kann aber auch mit zweidimensional ausgeführten Lichtmodulationseinrichtungen realisiert werden.
Diese Ausführungsformen der Projektionsvorrichtung 1 werden nachfolgend in den Figuren 4, 5, 6 und 7 beschrieben.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der holographischen Projektionsvorrichtung 1 in der Draufsicht dargestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die Projektionsvorrichtung 1 für mehrere Betrachter in der Betrachterebene12 vorgesehen. In Unterschied zu den Figuren 1 und 3 ist hier die Lichtmodulationseinrichtung 2 als zweidimensionale binäre Lichtmodulationseinrichtung 2 ausgeführt. Bei derartigen Lichtmodulationseinrichtungen 2 ist die modulierte Wellenfront binär kodiert. Da die Wiedergabe der Wellenfront sehr ungenau ist, werden mehrere unterschiedliche Wellenfronten für eine rekonstruierte Szene überlagert. Ein Ablenkelement, welches zur Erzeugung einer zweidimensionalen Wellenfront dient, ist hier nicht mehr notwendig.
Anstatt des Ablenkelementes 9 der Figuren 1 und 3 ist ein Strahlteilerelement 27, welches neben dem Strahlteilerelement 22, das zur Aufteilung des Lichts in seine Spektralkomponenten oder zur Zusammenführung vorgesehen ist, zur Vervielfältigung jeweils einer aus den Lichtmodulationseinrichtungen 2 austretenden Wellenfront 8R und 8L in der Projektionsvorrichtung 1 enthalten. Dieses Strahlteilerelement 27 ist vorteilhafter Weise in der bildseitigen Brennebene des Linsenelements 14 und dem Abbildungsmittel 6 angeordnet und kann beispielsweise als Gitter oder diffraktives optisches Element (DOE), insbesondere als konfigurierbares DOE, ausgeführt sein. Es ist auch möglich anstelle des Strahlteilerelements 27 für jede Lichtmodulationseinrichtung 2 mehrere Lichtquellen 4 in Abhängigkeit von der Anzahl der Betrachter in der Betrachterebene 12 vorzusehen. Das Licht der Lichtquellen 4 sollte dann jeweils unter verschiedenen Einfallswinkeln auf die Lichtmodulationseinrichtung 2 treffen.
Zur Rekonstruktion der Szene für drei dargestellte Betrachter sind zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 in der Projektionsvorrichtung 1 enthalten, wobei eine Lichtmodulationseinrichtung 2 für jeweils das rechte Auge der Betrachter und die andere Lichtmodulationseinrichtung 2 für jeweils das linke Auge der Betrachter vorgesehen sind. Die beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden jeweils von einer Beleuchtungseinrichtung 3 mit einer Lichtquelle 4 beleuchtet. Deren Licht wird dabei derart moduliert, dass die ebenen Wellen W an äquidistanten Orten in der Lichtmodulationseinrichtung 2 zu jeweils einer gewünschten Wellenfront 8R und 8L kodiert werden. Diese Wellenfronten 8R und 8L werden dann über die Linsenelemente 13 und 14 auf das Strahlteilerelement 27 zur Vervielfältigung in mehrere Wellenfronten 81 R1 82R1 83R und 81 L1 82L1 83L abgebildet. Gleichzeitig entstehen zwischen den Linsenelementen 13 und 14, vorteilhaft in der Brennebene des Linsenelementes 13, die Fourier-Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L. Die Fourier- Transformierten FT werden danach über das Linsenelement 14 und das Abbildungsmittel 6 in die Brennebene 21 des Abbildungsmittels 6 im Bereich von drei Ablenkmitteln 18 abgebildet. Die Wellenfronten 81 R, 82R, 83R und 81 L, 82L1 83L werden dabei mittels der Abbildungsmittel 6 und 19 und dem Fokussierelement 25 in die gemeinsame Brennebene 20 des zweiten Abbildungsmittels 19 und des Fokussierelements 25 abgebildet, wobei diese danach über den Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11 R, 11 L, 24R, 24L, 28R und 28L auf die Augen der drei Betrachter abgebildet werden. Gleichzeitig werden die Bilder der Fourier-Transformierten FT von der Brennebene 21 über das zweite Abbildungsmittel 19 und das Fokussierelement 25 auf dem Bildschirm 7 abgebildet. Die Anzahl der Ablenkmittel 18 ist auch hier von der Anzahl der Betrachter abhängig. Dies bedeutet, dass pro Betrachter nur ein Ablenkmittel 18 für beide Augen, hier Betrachterfenster 11 R und 11 L, verwendet wird. Auch hier wird in der nullten Beugungsordnung die dreidimensionale Szene rekonstruiert. Bei Bewegung der Betrachter in der Betrachterebene 12 detektiert auch hier das Positionserfassungssystem 17 die Änderung der Positionen der Augen und steuert die Ablenkmittel 18 derart, dass die Betrachterfenster 11 R, 11 L1 24R1 24L, 28R und 28L in Richtung der neuen Position der Augen der Betrachter nachgeführt werden. Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend dem oben beschriebenen Beispiel mittels des Strahlteilerelementes 22 erfolgen.
Anstatt zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 zu verwenden, kann auch nur eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 zur Rekonstruktion der Szene für einen oder mehrere Betrachter vorgesehen sein. Dementsprechend ist dann auch nur eine einzige Lichtquelle zur Beleuchtung der Lichtmodulationseinrichtung 2 notwendig.
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Projektionsvorrichtung 1 in der Draufsicht dargestellt, wobei nur ein Betrachter dargestellt ist. Grundsätzlich können auch mehrere Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten. Die hier verwendeten Lichtmodulationseinrichtungen 2 sind ebenfalls zweidimensionale Lichtmodulationseinrichtungen, welche aber im Gegensatz zu binären Lichtmodulationseinrichtungen eine mehrwertige Kodierung erlauben und somit direkt mit nur einem Bild eine bessere Wiedergabe der Wellenfronten durch die Wiedergabe von z.B. mehreren Phasenwerten erzielen. Auf diese Weise kann somit die Projektionsvorrichtung 1 im Gegensatz zu den Figuren 1 , 3 und 4 in vereinfachter Form aufgebaut werden. Ein Ablenkelement 9 sowie ein Strahlteilerelement 27 sind nicht mehr notwendig. Ebenso kann jetzt zur Nachführung der Betrachterfenster 11 R und 11 L oder auch mehrerer Betrachterfenster nur ein einziges Ablenkmittel 18 dienen.
Zur Rekonstruktion der vorteilhaft dreidimensionalen Szene sind für das rechte Auge und für das linke Auge je eine Lichtmodulationseinrichtung 2 vorgesehen. Diese beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden von den zwei Lichtquellen 4 der Beleuchtungseinrichtungen 3 mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet. Auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 treffen die ebenen Wellen W, welche zu den gewünschten Wellenfronten 8R und 8L kodiert werden. Die Wellenfronten 8R und 8L werden dann über die Linsenelemente 13 und 14 auf eine bildseitige Brennebene 29, welche zwischen dem Linsenelement 14 und dem Abbildungsmittel 6 entsteht, abgebildet. Gleichzeitig entstehen zwischen den Linsenelementen 13 und 14 in der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 13 die Fourier-Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L. Die Fourier-Transformierten FT werden danach über das Linsenelement 14 und das Abbildungsmittel 6 in die Brennebene 21 abgebildet. Die Wellenfronten 8R und 8L werden danach mittels der Abbildungsmittel 6 und 19 in die Brennebene 20 abgebildet, wobei diese danach über den Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11 R und 11L auf die Augen des Betrachters abgebildet werden. Gleichzeitig werden die Bilder der Fourier-Transformierten FT von der Brennebene 21 über das zweite Abbildungsmittel 19 auf dem Bildschirm 7 abgebildet. Die Wellenfronten 8R und 8L für das rechte und das linke Betrachterfenster 11 R und 11 L werden hier gleichzeitig abgebildet. Auch hier wird in der nullten Beugungsordnung die dreidimensionale Szene rekonstruiert. Bei Bewegung des Betrachters in der Betrachterebene 12 detektiert das Positionserfassungssystem 17 die Änderung der Positionen der Augen und steuert das Ablenkmittel 18 derart, dass die Betrachterfenster 1-1 R und 11 L in Richtung der neuen Position der Augen des Betrachters nachgeführt werden. Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann auch hier entsprechend dem oben beschriebenen Beispiel mittels des Strahlteilerelementes 22 erfolgen.
Befinden sich mehrere Betrachter in der Betrachterebene 12, so werden die rechte und die linke Wellenfront für die Betrachterfenster 11R und 11L gleichzeitig erst einem Betrachter und dann dem nächsten Betrachter dargestellt. Danach wird die nächste Wellenfront wieder erst dem einen Betrachter und dann dem nächsten Betrachter usw. dargestellt. Weiterhin ist es auch möglich die entsprechende Wellenfront für das Betrachterfenster 11 R des rechten Auges nacheinander allen Betrachtern und danach die entsprechende Wellenfront für das Betrachterfenster 11 L des linken Auges nacheinander allen Betrachtern darzustellen. Zur Darstellung der nächsten rekonstruierten Szene wird entsprechend vorgegangen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist es somit auch möglich, eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 für beide Augen des Betrachters vorzusehen. Ist dies der Fall werden die beiden Betrachterfenster 11 R und 11 L, wie oben erwähnt, abwechselnd bedient. Für mehrere Betrachter werden erst alle rechten Betrachterfenster 11 R1... und danach alle linken Betrachterfenster 11 L,... oder umgekehrt bedient.
Die Figur 6 zeigt eine Vereinfachung der Projektionsvorrichtung 1 gemäß Figur 5, wobei auch hier nur ein Betrachter dargestellt ist. Grundsätzlich können auch mehrere Betrachter vorhanden sein. Die hier verwendeten Lichtmodulationseinrichtungen 2 sind ebenso zweidimensionale Lichtmodulationseinrichtungen, wie bereits unter Figur 5 erwähnt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist zur Nachführung der Betrachterfenster 11 R und 11 L oder auch mehrerer Betrachterfenster nur ein einziges Ablenkmittel 18 vorgesehen. Wenn gemäß Figur 5 das Linsenelement 14 und das Abbildungsmittel 6 zusammen ein afokales System bilden, dann können diese optischen Elemente, wie in Figur 6 dargestellt, entfallen. Dadurch kann eine sehr vereinfachte Projektionsvorrichtung 1 geschaffen werden, wobei jedoch eine Korrektion von Abbildungsfehlern, z.B. der chromatischen Aberration, erschwert wird.
Zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene sind auch hier für das rechte Auge und für das linke Auge je eine Lichtmodulationseinrichtung 2 vorgesehen. Diese beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden von den zwei Lichtquellen 4 der Beleuchtungseinrichtungen 3 mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet. Auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 treffen die Wellen W, welche zu den gewünschten Wellenfronten 8R und 8L kodiert werden. Die Wellenfronten 8R und 8L werden dann über das Linsenelement 13 und das zweite Abbildungsmittel 19 in die Brennebene 20 abgebildet, wobei diese danach über den Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11 R und 11 L auf die Augen des Betrachters abgebildet werden. Gleichzeitig entstehen zwischen dem Linsenelement 13 und dem zweiten Abbildungsmittel 19, nämlich im Bereich des Ablenkmittels 18, in der Brennebene 21 des Linsenelementes 13 die Fourier- Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L. Die Fourier-Transformierten FT werden danach über das zweite Abbildungsmittel 19 auf dem Bildschirm 7 abgebildet. Die Wellenfronten 8R und 8L werden auf das rechte und linke Betrachterfenster 11R und 11L gleichzeitig abgebildet. Auch hier wird in der nullten Beugungsordnung die dreidimensionale Szene rekonstruiert. Bewegt sich der Betrachter in der Betrachterebene 12, so detektiert das Positionserfassungssystem 17 die Änderung der Positionen der Augen des Betrachters und steuert das Ablenkmittel 18 derart, dass die Betrachterfenster 11 R und 11L in Richtung der neuen Position der Augen des Betrachters nachgeführt werden. Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend dem oben beschriebenen Beispiel mittels des Strahlteilerelementes 22 erfolgen.
Anstatt zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 zu verwenden, kann auch hier nur eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 zur Rekonstruktion der Szene für einen oder mehrere Betrachter vorgesehen sein. Dementsprechend ist dann auch nur eine einzige Lichtquelle zur Beleuchtung der Lichtmodulationseinrichtung 2 notwendig.
Befinden sich mehrere Betrachter in der Betrachterebene 12, so werden gemäß Figur 5 die rechte und die linke Wellenfront gleichzeitig erst einem Betrachter und dann dem nächsten Betrachter mittels des Ablenkelements 18 dargestellt. Danach wird die nächste Wellenfront wieder erst dem einen Betrachter und dann dem nächsten Betrachter usw. dargestellt. Es ist aber ebenso auch möglich, wie bereits oben erwähnt, die entsprechende Wellenfront für das rechte Betrachterfenster 11 R nacheinander allen Betrachtern und danach die entsprechende Wellenfront für das linke Betrachterfenster 11L nacheinander allen Betrachtern darzustellen. Zur Darstellung der nächsten rekonstruierten Szene wird entsprechend vorgegangen.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 für beide Augen des Betrachters, wie in Figur 5 beschrieben, vorzusehen, wobei die Betrachterfenster 11R und 11L nacheinander bedient werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Projektionsvorrichtung 1 zeigt Figur 7, wobei die Projektionsvorrichtung 1 nur für einen Betrachter dargestellt ist. Es ist jedoch selbstverständlich möglich, diese auch für mehrere Betrachter vorzusehen. Die dargestellten Lichtmodulationseinrichtungen 2 können eindimensionale, zweidimensionale oder zweidimensionale binäre Lichtmodulationseinrichtungen sein. Sollten die Lichtmodulationseinrichtungen 2 eindimensional ausgeführt werden, so sind zwei Ablenkelemente 9, wie in den Figuren 1 und 3 dargestellt, vorzusehen. Bei Einsatz von zweidimensionalen binären Lichtmodulationseinrichtungen ist es von großem Vorteil, wenn die Lichtmodulationseinrichtungen 2 derart schnell sind, dass mehrere Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten können. Ist dies nicht der Fall kann jedoch nur ein Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten. In diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt, zur Nachführung der Betrachterfenster 11R und 11L oder auch mehrerer Betrachterfenster nur ein einziges Ablenkmittel 18 vorgesehen. Die Abbildungselemente dieser Projektionsvorrichtung 1 weisen verglichen mit der Projektionsvorrichtung 1 gemäß der Figuren 5 und 6 eine kleinere numerische Apertur (NA) auf, wodurch weniger Aberrationen auftreten. Da die Linsenelemente 13, 14 und das Strahlteilerelement 22 doppelt, nämlich für jede Lichtmodulationseinrichtung 2 bzw. für jedes Auge des Betrachters, vorhanden sind, und dadurch die Abbildung der Wellenfronten W im ersten Teil der Projektionsvorrichtung 1 unabhängig voneinander geschieht, können beispielsweise Justagefehler einzeln für jedes Auge korrigiert werden.
Die dreidimensionale Szene wird mit Hilfe von je einer Lichtmodulationseinrichtung 2 für das rechte Auge und für das linke Auge rekonstruiert. Diese beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden von den zwei Lichtquellen 4 der Beleuchtungseinrichtungen 3 mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet. Auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 treffen die Wellenfronten W, welche derart moduliert werden, dass die gewünschten Wellenfronten 8R und 8L entstehen. Die Wellenfronten 8R und 8L sind in diesem Ausführungsbeispiel nur jeweils durch zwei Strahlen, also als halbe Wellenfronten, dargestellt. Die Wellenfront 8R wird danach über die Linsenelemente 13 und 14 auf eine bildseitige Brennebene 30 des Linsenelements 14 abgebildet. In der Brennebene 30 ist ein Umlenkelement 31 , welches als Umlenkspiegel ausgeführt und nicht bewegbar ist, angeordnet. Das Umlenkelement 31 reflektiert die Wellenfront 8R in die gewünschte Richtung. Die Wellenfront 8L wird ebenso wie die Wellenfront 8R über die Linseelemente 13 und 14 abgebildet, allerdings hier in eine Brennebene 32. Gleichzeitig entstehen jeweils zwischen den Linsenelementen 13 und 14 in der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 13 die Fourier-Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L. Die beiden Fourier- Transformierten FT werden danach über die Linsenelemente 14 und das Abbildungsmittel 6 in die Brennebene 21 abgebildet. Die Wellenfronten 8R und 8L werden danach mittels der Abbildungsmittel 6 und 19 in die Brennebene 20 abgebildet, wobei diese danach über den Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11 R und 11 L auf die Augen des Betrachters abgebildet werden. Gleichzeitig werden die Bilder der Fourier- Transformierten FT von der Brennebene 21 über das zweite Abbildungsmittel 19 auf dem Bildschirm 7 abgebildet. Die Wellenfronten 8R und 8L für das rechte und das linke Betrachterfenster 11 R und 11 L werden gleichzeitig abgebildet. Die dreidimensionale Szene wird in der nullten Beugungsordnung rekonstruiert. Zur Nachführung der Betrachterfenster 11R und 11L in der Betrachterebene 12 detektiert das Positionserfassungssystem 17 die Änderung der Positionen der Augen bei Bewegung des Betrachters. Das Positionserfassungssystem übernimmt auch die Aufgabe der Steuerung des Ablenkmittels 18 und steuert dieses derart, dass die Betrachterfenster 11 R und 11 L in Richtung der neuen Position der Augen des Betrachters nachgeführt werden.
Zur Darstellung der rekonstruierten Szene bzw. Szenen für mehrere Betrachter in der Betrachterebene 12, wird die rechte und die linke Wellenfront gleichzeitig erst einem Betrachter und dann dem nächsten Betrachter dargestellt. Danach wird die nächste Wellenfront wieder erst dem einen Betrachter und dann dem nächsten Betrachter usw. dargestellt.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend den oben beschriebenen Beispielen mittels zwei Strahlteilerelemente 22 erfolgen, welche jeweils zwischen den Linsenelementen 13 und 14 angeordnet sein können. Selbstverständlich können sie auch an anderer Position in der Projektionsvorrichtung 1 angeordnet sein. Die Projektionsvorrichtung 1 gemäß Figur 7 kann auch derart ausgeführt sein, dass ungefaltete Strahlengänge vorliegen. Die Beleuchtungseinrichtungen 3 mit den Lichtquellen 4 können auch an beliebiger Position in der Projektionsvorrichtung 1 angeordnet werden. Wenn beispielsweise die Lichtmodulationseinrichtung 2 nicht transmissiv sondern reflektiv ausgeführt ist, dann kann die Beleuchtungseinrichtung 3 jeweils derart angeordnet sein, dass die jeweilige ausgesandte Wellenfront W über ein Ablenkelement, z.B. ein Umlenkspiegel oder ein halbdurchlässiger Spiegel, zu der entsprechenden Lichtmodulationseinrichtung 2 geführt wird. Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtquelle 4 auf eine Fourierebene abgebildet wird, wobei das Ablenkelement in der Fourierebene angeordnet ist. Dabei kann zwischen dem Ablenkelement und der Lichtmodulationseinrichtung 2 wenigstens ein optisches Element, wie Linse, Spiegel oder ähnliches, vorgesehen sein. Ein derartiges Ablenkelement kann beispielsweise bezogen auf Figur 7 im Bereich des Ablenkmittels 18 oder am Ort des Strahlteilerelements 22 angeordnet sein, wobei das Strahlteilerelement 22 dann vor oder hinter dem Ablenkelement oder auch an anderer Position in der Projektionsvorrichtung 1 vorgesehen sein kann. Auf diese Weise kann die Projektionsvorrichtung 1 kompakter im Aufbau gestaltet werden.
Die Lichtquellen 4 aller Ausführungsbeispiele können auch durch eine hier nicht dargestellte primäre Lichtquelle mit Hilfe von wenigstens einem optischen Element erzeugt werden.
Für alle Ausführungsbeispiele ist es ebenso auch möglich, die rekonstruierte Szene anstatt in der nullten Beugungsordnung auch in einer anderen Beugungsordnung, z.B. in der 1. oder -1. Beugungsordnung, darzustellen.
Mögliche Einsatzgebiete der holographischen Projektionsvorrichtung 1 können Displays für eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich sein, wie beispielsweise für Computer, Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik, hier insbesondere für die minimal-invasive Chirurgie oder die räumliche Darstellung tomographisch gewonnener Daten oder auch für die Militärtechnik beispielsweise zur Darstellung von Geländeprofilen. Selbstverständlich kann die vorliegende Projektionsvorrichtung 1 auch in anderen, hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Projektionsvorrichtung zur holographischen Rekonstruktion einer Szene mit wenigstens einer Lichtquelle für hinreichend kohärentes Licht und wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung zum Erzeugen einer kodierten Wellenfront der
Szene, gekennzeichnet durch Abbildungsmittel (6) zum Abbilden einer Fourier- Transformierten (FT) des durch die Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) modulierten Lichts auf einen Bildschirm (7) und zum Abbilden der kodierten Wellenfront (8, 8R, 8G, 8B, 8L) in wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster (11 , 11 R, 11 L, 24R, 24L, 28R, 28L) einer Betrachterebene (12) und wenigstens einem Ablenkmittel (18) zwischen der Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) und dem Bildschirm (7) zur Nachführung des Betrachterfensters (11 , 11 R, 11 L, 24R, 24L, 28R, 28L) entsprechend einer Änderung einer Augenposition wenigstens eines Betrachters.
2. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der der Abbildungsmaßstab und die Größe des Bildschirms (7) so gewählt sind, dass eine periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen der Fourier-Transformierten (FT) außerhalb des Bildschirms (7) liegt.
3. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G1 2B) eindimensional ist.
4. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine binäre zweidimensionale Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R1 2G, 2B).
5. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der ein Ablenkelement (9) zur Erzeugung einer Wellenfront (10) für eine rekonstruierte Szene enthalten ist, welches eine optische Ablenkung in Richtung senkrecht zu der eindimensionalen Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G1 2B) realisiert.
6. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der ein Positionserfassungssystem (17) zur Bestimmung einer Augenposition des Betrachters enthalten ist.
7. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 für mehrere Betrachter, bei der zur Nachführung von Betrachterfenstern (11 , 11 R, 11 L, 24R, 24L, 28R, 28L) in Strahlrichtung hintereinander pro Betrachter ein Ablenkmittel (18), für alle Ablenkmittel (18) ein zur Kollimation dienendes gemeinsames Lentikular (19) und ein gemeinsames Fokussierelement (25) angeordnet sind.
8. Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , 3 oder 4, bei der wenigstens ein Strahlteilerelement (22, 27) zwischen dem Ablenkmittel (18) und der Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) angeordnet ist.
9. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der für eine farbige Rekonstruktion einer Szene das Strahlteilerelement (22) zur Aufteilung des Lichts in seine Spektralkomponenten oder Zusammenführung enthalten ist.
10. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der bei Verwendung einer zweidimensionalen binären Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) das Strahlteilerelement (22) für eine farbige Rekonstruktion einer Szene und ein weiteres Strahlteilerelement (27) zur Vervielfältigung einer aus der Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) austretenden Wellenfront (8R, 8L, 8G, 8B) enthalten ist.
11. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Ablenkmittel (18) ein Spiegel ist.
12. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der der Bildschirm ein Spiegel, insbesondere ein Konkavspiegel, ist.
13. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der im Strahlengang Linsenelemente (13, 14) zur Reduzierung von Abbildungsfehlern enthalten sind.
14. Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , bei der die Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) ein Phasenmodulator ist.
15. Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen, bei dem eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer hinreichend kohärenten Lichtquelle wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung mit einer kodierten Wellenfront beleuchtet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fourier- Transformierte (FT) des durch die Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) modulierten Lichts der Lichtquelle (4) auf ein als Bildschirm dienendes optisches Element (7) abgebildet wird, wobei wenigstens das optische Element (7) die kodierte Wellenfront (8, 8R, 8G, 8B, 8L) in wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster (11 , 11 R, 11 L, 24R1 24L1 28R, 28L) einer Betrachterebene (12) abbildet, und wobei wenigstens ein Ablenkmittel (18) das Betrachterfenster (11 ,
11 R1 11 L, 24R, 24L, 28R, 28L) nach Änderung einer Augenposition wenigstens eines Betrachters nachführt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G1 2B) und das optische Element (7) einen Abbildungsmaßstab definieren, der mit der Größe des optischen Elements (7) derart gewählt wird, dass eine periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen der Fourier-Transformierten
(FT) außerhalb des optischen Elements (7) erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die rekonstruierte Szene in der nullten
Beugungsordnung rekonstruiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein Positionserfassungssystem (17) eine Augenposition des Betrachters beim Beobachten der rekonstruierten Szene erfasst und verfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem wenigstens ein Abbildungsmittel (6, 19, 25) die Fourier-Transformierte (FT) der Wellenfront (W, 8, 8R, 8G, 8B, 8L) auf dem optischen Element (7) abbildet.
20. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem für zwei oder mehrere Betrachter dieselbe Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) zur Darstellung der Wellenfront (W, 8, 8R, 8G, 8B, 8L) für jeweils alle linken oder alle rechten Augen der Betrachter benutzt wird, wobei mehrere Lichtquellen (4) Licht mit verschiedenen Einfallswinkeln auf die Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) senden.
2 I .Verfahren nach Anspruch 15, bei dem von einer eindimensionalen Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) mit einer eindimensional modulierten
Wellenfront (8, 8R, 8G, 8B, 8L) eine Wellenfront (10) mittels eines Ablenkelements (9) erzeugt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem eine farbige Rekonstruktion der Szene simultan in den drei Grundfarben erfolgt.
23. Verfahren nach Anspruch 15, für eine zweidimensionale binäre Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B), bei dem ein erstes Strahlteilerelement (27) eine aus der Lichtmodulationseinrichtung (2, 2R, 2G, 2B) austretende Wellenfront (8, 8R, 8G, 8B, 8L) vervielfältigt und wenigstens ein weiteres Strahlteilerelement (22) die Szene simultan in den drei Grundfarben rekonstruiert.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die simultane farbige Rekonstruktion der Szene über drei Lichtmodulationseinrichtungen (2R, 2G, 2B) erfolgt, wobei das zweite Strahlteilerelement (22) die einzelnen monochromatischen Wellenfronten (8R, 8G, 8B) des Lichts ausgehend von den Lichtmodulationseinrichtungen (2R, 2G, 2B) zusammenführt.
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