DE102007018266A1

DE102007018266A1 - Holographisches Projektionssystem mit einer optischen Wellennachführung und Mitteln zum Korrigieren der holographischen Rekonstruktion

Info

Publication number: DE102007018266A1
Application number: DE102007018266A
Authority: DE
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2008-10-16
Also published as: WO2008122664A1; TWI400588B; US8395833B2; JP5264883B2; US20100103246A1; JP2010524038A; TW200912572A

Abstract

Ein holographisches Projektionssystem mit einem Wiedergabeschirm (S) und einer optischen Wellennachführung (M1, M2), welche die Ausbreitungsrichtung einer modulierten Wellenfront einstellt, nutzt eine Positionssteuerung und einen Augenfinder. Gemäß der Aufgabe der Erfindung ist für das Projektionssystem ein extrem breiter Nachführbereich für ein gleichzeitiges Betrachten der Rekonstruktion durch mehrere nebeneinander positionierte Betrachter zu realisieren. Für jede Augenposition eines Betrachters soll die Rekonstruktion der Szene so korrigiert werden, dass die komplette Szene in einem großen Nachführbereich im Sichtbarkeitsbereich möglichst fehlerfrei sichtbar ist. Das Projektionssystem gemäß der Erfindung rekonstruiert die Szene mit Hilfe von modulierten Teilwellenfronten (LW<SUB>mod1</SUB>, LW<SUB>mod2</SUB>), welche die räumlichen Modulationsmittel mit verschiedenen Modulatorsegmenten (MS1, MS2) modulieren. Abbildungsmittel (L2) richten über eine Struktur von zumindest horizontal auf dem Wiedergabeschirm (S) gestaffelten Schirmsegmenten diese Teilwellenfronten mit holographisch separat rekonstruierten Segmenten der Szene zur gewünschten Augenposition. Dafür stellt eine Systemsteuerung für jede modulierte Teilwellenfront eine Ausgangsposition und eine Ausbreitungsrichtung ein.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein holographisches Projektionssystem, welches beim Positionswechsel eines Betrachters beim Betrachten einer holographischen Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene die optische Achse einer modulierten Lichtwellenfront, welche die holographische Rekonstruktion trägt, mit Mitteln zur optischen Wellennachführung, einer Positionssteuerung und einem Augenfinder, den Augenpositionen mindestens eines Betrachters nachführt. Insbesondere betrifft die Erfindung Mittel zum Reduzieren der Auswirkung optischer Deformierungen an der modulierten Lichtwellenfront, welche in Folge der Wellennachführung entstehen.
Die Erfindung ist unabhängig von der Art der Bereitstellung der holographischen Information anwendbar und kann auch für Systeme eingesetzt werden, welche gleichzeitig mehren Betrachtern ein Betrachten von holographisch rekonstruierten Videoszenen ermöglichen.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Ein holographisches Rekonstruktionssystem im Sinne dieser Erfindung rekonstruiert mit Videomitteln vorrangig bewegte dreidimensionale Szenen holographisch in Echtzeit. Das System enthält kontinuierlich steuerbare räumliche Lichtmodulationsmittel, die interferenzfähige Lichtwellen räumlich mit holographischer Information modulieren. Die modulierten Lichtwellen bilden in Folge von Lichtbeugung durch lokale Interferenzen Objektlichtpunkte, welche optisch die dreidimensionale Szene rekonstruieren. Von allen rekonstruierten Objektlichtpunkten breiten sich die Lichtwellen gerichtet zu den Betrachteraugen aus, so dass ein oder mehrere Betrachter diese Objektlichtpunkte in Form der Szene wahrnehmen. Das heißt, im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine holographische Rekonstruktion eine Objektsubstitution.
Im Interesse einer zufrieden stellenden holographischen Wiedergabequalität sollten die Betrachter eine Rekonstruktion auch in einem möglichst weiten Sichtfeld betrachten können. Das erfordert abhängig vom Abstand eines Betrachters eine Darstellung einer holographisch rekonstruierten Szene mit einem Wiedergabeschirm als Hintergrund, der in seiner Ausdehnung die bei Fernseh- und Videoschirmen üblichen Diagonalen einnimmt.
Von Nachteil ist jedoch, dass gemäß dem bekannten Abtasttheorem eine großflächige holographische Darstellung für große Beugungswinkel eine vielfach höhere Auflösung der Lichtmodulationsmittel als eine zweidimensionale Darstellung erfordert. Dieses stellt an die Ressourcen der Hard- und Software des holographischen Rekonstruktionssystems außergewöhnlich hohe Anforderungen – sowohl an die Komponenten zum zeitnahen Bereitstellen der holographischen Information zum Kodieren als auch zum optischen Rekonstruieren der Szene.
Ein weiteres, an sich bekanntes Problem in einem Rekonstruktionssystem stellt eine ungestörte Ausbreitung der modulierten Lichtwellen bis zur Interferenz dar. Um die Objektlichtpunkte an der richtigen Raumposition und mit den richtigen Lichtpunktwerten zu rekonstruieren, muss zumindest ein Teil der interferierenden Lichtwellen an jedem Ort, an dem Lichtinterferenz einen Objektlichtpunkt rekonstruieren soll, gleichzeitig eintreffen. Das heißt, jeder Objektlichtpunkt benötigt eine räumliche Kohärenz unter möglichst vielen der interferierenden Lichtwellen.
Außerdem dürfen nach erfolgter Rekonstruktion der Objektlichtpunkte die Weglängen aller Objektlichtpunkte einer Wellenfront, welche die dreidimensionale Szene wiedergeben, untereinander keine unkontrollierten Weglängendifferenzen durch einstellbare optische Mittel erhalten.
In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "optische Achse" eine Gerade, die mit der Symmetrieachse eines reflektierenden oder brechenden optischen Elements übereinstimmt. Räumliche Lichtmodulationsmittel, die ein Hologrammprozessor mit holographischer Information einer dreidimensionalen Szene kodiert hat, stellen ein "Videohologramm" dar. Das Zusammenwirken eines mit kohärentem Licht beleuchteten Videohologramms mit Abbildungsmitteln generiert eine "modulierte Wellenfront". Die Abbildungsmittel geben der modulierten Wellenfront eine "Ausbreitungsrichtung" und eine "optische Wellennachführung" kann diese Ausbreitungsrichtung ändern. Wenn Richtungen und Positionen von optischen Elementen von einem Bezugselement in Richtung zum Videohologramm liegen, werden diese "hologrammseitig" genannt, aber wenn sie zu einer Augenposition eines Betrachterauges gerichtet sind, "betrachterseitig". Ein "Sichtbarkeitsbereich" beschreibt einen Raum, der als Ausgangspupille des Systems betrachterseitig an einer Augenposition liegt, in welchem sich zum Betrachten einer rekonstruierten Szene mindestens ein Betrachterauge befinden muss. Wenn, wie bei der vorliegenden Anmeldung, die Wellennachführung die modulierte Wellenfront auf die aktuelle Augenpositionen nachführt, wird der Raum, in dem alle möglichen Augenpositionen liegen dürfen, als "Nachführbereich" bezeichnet. In der Fachliteratur wird ein solches Projektionssystem auch als Projektionssystem mit einem Augen-Tracking bezeichnet.
Stand der Technik
Der Anmelder hat bereits verschiedene holographische Projektionssysteme offenbart. Unter anderem beschreibt die internationale Veröffentlichung WO 2006/119760 mit der Bezeichnung: "Projektionsvorrichtung und Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen", ein System, das vergrößert eine holographische Rekonstruktion einer 3D-Szene dargestellt.
Dieses Projektionssystem nutzt ein Grundprinzip zum holographischen Rekonstruieren, welches der Anmelder erstmalig in seiner internationalen Veröffentlichung WO 2004/044659 mit der Bezeichnung "Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen" beschrieben hat und anhand von 1 erläutert werden soll.
Eine ebene Lichtwellenfront LW einer nicht gezeichneten interferenzfähigen Modulatorbeleuchtung beleuchtet im vorliegenden Beispiel alle Modulatorzellen eines transmissiven räumlichen Lichtmodulators SLM, welcher dynamisch mit holographischer Information der Szene kodiert ist. Der kodierte Modulator bildet somit ein Videohologramm. In Lichtrichtung vor dem Lichtmodulator SLM liegt eine Sammellinse L1, welche in ihrer Fourier-Ebene FTL eine Fourier-Transformation der Lichtwellenfront LW realisiert. Bei einem Projektionssystem kann der Lichtmodulator SLM die einfallende Wellenfront LW mit der holographischen Information entweder beim Durchfluten mit einer interferenzfähigen Lichtwellenfront modulieren, das heißt, im transmis siven Gittermodus, oder als räumlich steuerbarer Reflektor. In beiden Fällen entsteht eine modulierte Wellenfront, welche die Objektlichtpunkte der Szene im Raum vor der Fourier-Ebene FTL rekonstruiert. Das Beispiel nach 1 zeigt nur einen einzigen Objektlichtpunkt OP₀ der rekonstruierten Szene.
Da die Modulatorzellen auf Grund ihrer matrixförmigen Anordnung des Lichtmodulators SLM die Wellenfront räumlich und äquidistant modulieren und dabei das Licht beugen, entsteht in der Fourier-Ebene FTL ein Raumfrequenzspektrum, welches mehrere Beugungsordnungen m des Videohologramms an verschiedenen Orten enthält. 1 zeigt einen geringen Teil des Raumfrequenzspektrums am Beispiel des gewünschten Objektlichtpunktes OP₀ in einer gewählten Beugungsordnung und unerwünschten rekonstruierten Objektlichtpunkten OP₊₁ und OP_–1 in benachbarten Beugungsordnungen. Im vorliegenden Beispiel sind alle Modulatorzellen des Lichtmodulators SLM zum Rekonstruieren des Objektlichtpunktes OP₀, kodiert. Dieses zeigt die gleiche Wirkung, wie eine durch Kodieren steuerbare Linse CL mit entsprechender Brennweite.
Bei dem in der internationalen Veröffentlichung WO 2006/119760 offenbarten Projektionssystem ist auf dem Lichtmodulator ebenfalls ein Videohologramm kodiert. Ein Raumfrequenzfilter, das in der Fourier-Ebene liegt, filtert aus dem Raumfrequenzspektrum des Videohologramms eine Beugungsordnung räumlich aus und eine Projektionsoptik bildet diese Beugungsordnung der Wellenfront vergrößert auf einen fokussierenden Wiedergabeschirm ab.
Der Wiedergabeschirm fokussiert die modulierte Wellenfront mit der rekonstruierten Szene vor einer Augenposition. Hinter der Augenposition in einem Sichtbarkeitsbereich kann ein Betrachter die rekonstruierte dreidimensionale Szene sehen.
Da der Wiedergabeschirm rekonstruierte Objektlichtpunkte von allen Beugungsordnungen in seiner Fokalebene abbilden würde, könnte ein Betrachter auch störende Beugungsordnungen mit einem Auge, das außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs liegt, beispielsweise dem Auge, dem das aktuelle Videohologramm nicht zugeordnet ist, wahrnehmen. Der Raumfrequenzfilter AP weist eine Blendenöffnung auf, die nicht größer sein darf als eine Beugungsordnung und wählt damit eine Beugungsordnung des modulierten Lichts aus.
Der Wiedergabeschirm kann eine Linse sein. Da jedoch, wie oben dargelegt, der Durchmesser des Wiedergabeschirms im Vergleich zur Projektions-Optik sehr groß sein sollte, ist der Wiedergabeschirm vorteilhaft ein Hohlspiegel.
Die Rekonstruktion ist mit der modulierten Wellenfront fest verankert und nur sichtbar, wenn sich der Betrachter direkt mit wenigstens einem Auge zum äußerlich nicht erkennbaren Sichtbarkeitsbereich hinter der Augenposition begibt. Wenn beim Bewegen eines Betrachters die rekonstruierte Szene ohne Einschränkung sichtbar sein soll, muss beispielsweise eine Positionssteuerung den Lichtweg der gesamten modulierten Wellenfront mit einer optischen Wellennachführung dem entsprechenden Betrachterauge so nachführen, dass das Ende des Rekonstruktionsraums immer in der Nähe des zugeordneten Betrachterauges liegt. Dazu erhält das dargestellte Projektionssystem einen an sich bekannten Augenfinder, der die aktuellen Positionen der Betrachteraugen findet und mit Hilfe der Positionssteuerung den Lichtweg der modulierten Wellenfront auf eine gewünschte Augenposition ausrichtet. Bei einem System, welches für jedes Betrachterauge ein entsprechendes Videohologramm zur Rekonstruktion bereitstellt, ist die gewünschte Augenposition immer die Stelle, hinter der das Betrachterauge liegt, dem das aktuell kodierte Videohologramm zugeordnet ist. Für das andere Auge darf das aktuelle Videohologramm nicht sichtbar sein.
Der Anmelder dieser Patentanmeldung offenbart unter anderem in der internationalen Veröffentlichung WO 2006/119920 mit der Bezeichnung: "Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes", eine holographische Rekonstruktionseinrichtung, die eine besondere Kodierung der räumlichen Lichtmodulationsmittel erfordert. Im Gegensatz zum herkömmlichen Kodieren von Videohologrammen, bei der die holographische Information über die gesamte Modulatorfläche verteilt wird, schlägt der Erfinder vor, die Information für jeden Objektlichtpunkt der Szene nur in einem entsprechenden Hologrammgebiet, das eine Teilfläche der gesamten kodierbaren Fläche der Lichtmodulatormittel darstellt, zu kodieren. Das Prinzip des Kodierens soll an Hand der 2a und 2b, die einen Ausschnitt aus dem holographischen System nach 1 zeigen, erläutert werden. Beide Darstellungen beschränken sich dabei nur auf die Modulation der Wellenfront mit holographischer Information. Der weitere Weg der Wellenfront wird nicht gezeigt.
Wenn der Lichtmodulator SLM eine Zellstruktur aufweist, entstehen unvermeidbar auch zusätzlich entsprechende Objektlichtpunkte in anderen Beugungsordnungen des Raumfrequenzspektrums, im Beispiel die Objektlichtpunkte OP₊₁, und OP_₁ in den Beugungsordnungen +1 und –1. Wenn außerdem, wie in 1 gezeigt, der Lichtmodulator SLM in allen Modulatorzellen die holographische Information von einem einzigen Objektlichtpunkt OP₀ trägt, dann breitet sich nach dem Rekonstruieren der Objektlichtpunkte OP₊₁, OP₀ und OP_₁ das Licht so weitwinklig aus, dass sich in der Fourier-Ebene FTL stets Licht aus benachbarten Beugungsordnungen überdeckt und alle Orte in der Fourier-Ebene FTL stets auch störende Lichtanteile von den unerwünschten Objektlichtpunkten OP₊₁ und OP_₁ aufweisen, die räumliche Filter nicht entfernen können. Um diesen Mangel zu verhindern, muss man beim Kodieren des Lichtmodulators SLM die Fläche der kodierten Linse CL an die Position des Objektlichtpunktes OP₀ im Raum anpassen.
2a zeigt eine Ausführung zum Prinzip des Kodierens mit einem Ausschnitt aus dem holographischen System nach 1. Hier sind die räumlichen Lichtmodulationsmittel mit einer Linse CL kodiert, deren Flächengröße an die Lage des Lichtpunktes im Raum angepasst ist. Die Flächengröße ist abhängig von der Position des Objektlichtpunktes OP₀ im Raum so reduziert, dass nur Licht, das den Objektlichtpunkt OP₀ rekonstruiert aus der gewählten Beugungsordnung die Öffnung Δx eines Filters AP passiert. Der Filter AP sperrt jedoch das Licht, welches der unerwünschte Objektlichtpunkt OP₊₁ in der benachbarten Beugungsordnung rekonstruiert.
2b zeigt am Beispiel von wenigen Objektlichtpunkten OP₁ ... OP_n das Kodieren für einen Abschnitt einer dreidimensionalen Szene 3DS, welches mit realisierbaren räumlichen Lichtmodulatormitteln ein Überschneiden des Lichts benachbarter Beugungsordnungen vermeidet. Eine nicht gezeichnete computergestützte Systemsteuerung, welche bei allen Systemen den Prozessablauf des Rekonstruierens kontrolliert, kodiert mit einem Hologrammprozessor für jeden einzelnen Objektlichtpunkt OP₁ ... OPn eine eigene Linse CL1 ... CLn in einer Anzahl von benachbarten Modulatorzellen, die abhängig von der Lage in der rekonstruierten Szene so in einem begrenzten Hologrammgebiet der Lichtmodulatorfläche liegen, dass alle rekonstruierten Lichtpunkte in der Fourier-Ebene FTL ihr Licht nur in die benutzte Beugungsordnung senden. Das verhindert ein Überschneiden des Lichts benachbarter Beugungsordnungen und eine Sichtbarkeit von unerwünscht rekonstruierten Objektlichtpunkten in nicht genutzten Beugungsordnungen über die Ausgangspupille des Projektionssystems.
Im Gegensatz zu herkömmlichen holographischen Wiedergabeeinrichtungen enthalten bei dieser Kodierung aber immer nur die zugeordneten Hologrammgebiete die holographische Information, die zum Rekonstruieren des einzelnen Objektlichtpunkte der Szene benötigt wird. Es werden auch nur solche Objektlichtpunkte kodiert, die von der aktuellen Augenposition in dem, in seiner Ausdehnung begrenzten, Sichtbarkeitsbereich sichtbar sein müssen. Dadurch kann der Rechenaufwand zum Kodieren stark reduziert werden.
Technisches Problem der Erfindung
Bei dem aus der internationalen Veröffentlichung WO 2006/119760 bekannten Projektionssystem bildet der fokussierende Wiedergabeschirm das mit der holographischen Information modulierte und räumlich gefilterte Licht an einer Augenposition ab. Das heißt, wenn ein Betrachter die rekonstruierte Szene sehen möchte, muss mindestens ein Auge eines Betrachters im Sichtbarkeitsbereich liegen, der sich an die Augenposition anschließt. Wie alle optischen Abbildungen, ist auch diese mit Aberrationen behaftet. Insbesondere ein periodischer Wechsel der Ausbreitungsrichtung der Wellenfront zwischen verschiedenen Augenpositionen mit einer optischen Wellennachführung bewirkt, dass der Wiedergabeschirm die räumliche Struktur der austretenden Wellenfront abhängig von den Augenpositionen verformt. Einen beachtlichen Teil dieser Verformungen bilden von der Ausbreitungsrichtung abhängige Aberrationen, welche mit unterschiedlichen Anteilen wirken und daher nicht statisch kompensiert werden können. Dabei ist die auf dem Wiedergabeschirm großflächig auftreffende Wellenfront besonders empfindlich für Aberration, wie sphärische Aberration, Koma, Bildfeldwölbung, Astigmatismus und Distorsion.
Besonders störend treten dabei Aberrationen in Erscheinung, die im Wesentlichen von der Feldgröße abhängen, die so genannten Feldaberrationen, welche sich positionsabhängig mit wechselnden Anteilen überlagern. Dabei können auch in vertikaler und horizontaler Richtung verschieden starke Aberrationen entstehen.
Das vorliegende Projektionssystem mit fokussierendem Wiedergabeschirm, das für gewünschte Augenpositionen ein Abbild der gewählten Beugungsordnung der Videohologramme liefert, verursacht mit zunehmender Abweichung der Ausbreitungsrichtung von der Achse vor allem variable System-Abbildungsfehler, welche die Wellenfront verschieden deformieren und erhebliche Schäden an der Rekonstruktion verursachen.
Außerdem bewirkt die oben beschriebene spezielle Kodierung der Objektlichtpunkte in zugeordnete, begrenzte Hologrammgebiete, zusätzliche Fehler, wie Feldaberrationen, welche von der Lage der Hologrammgebiete auf den Lichtmodulationsmitteln abhängen und von konventionellen Projektionssystemen unbekannt sind.
Da im speziellen Fall der Hologrammprozessor jeden Objektpunkt nur in einem begrenzten Hologrammgebiet kodiert, werden Objektlichtpunkte, welche in randnahen Hologrammgebieten liegen, von Aberrationen anders beeinflusst, als Objektlichtpunkte, welche in Achsennähe liegen.
Wie alle Abberationen im vorliegenden Projektionssystem, hängen auch die durch die Kodierung entstandenen Abberationen im starken Umfang von der Augenposition ab, zu der die modulierte Wellenfront geführt wird. Dem zu Folge rekonstruiert das System bestimmte Objektpunkte entweder nicht oder außerhalb des Sichtbarkeitsbereiches oder in einer falschen Raumtiefe. Anders gesagt, führen Aberrationen des Wiedergabeschirms zu Deformierungen innerhalb der Teilwellenfronten, welche sich als Koma und Astigmatismus äußern. Deshalb sind Maßnahmen notwendig, welche gewährleisten, dass Lichtwellen aus den Randgebieten des Wiedergabeschirms für jede Augenposition den Sichtbarkeitsbereich erreichen und in der richtigen Raumtiefe rekonstruieren.
Infolge der häufig und schnell wechselnden Augenpositionen erfordert das eine dynamische, von den Augenpositionen abhängige Anpassung der optischen Übertragungsfunktion, welche allein mit optischen Elementen mit statischen optischen Parametern zur Fehlerkompensation nicht erreicht werden kann. Insbesondere stellt das gleichzeitige Rekonstruieren einer Szene für mehrere Betrachter, erhebliche Anforderungen an die Kompensation von Feldaberrationen in der Horizontalen. Für bequeme Abstände zwischen den Betrachtern ist ein extrem breiter Nachführbereich erforderlich, der horizontal durchaus einige Meter breit sein kann. Ein derartig weit von der Schirmachse entferntes Nachführen der modulierten Wellenfront ist mit einer Aberrationskorrektur durch herkömmliche Wellenformer nicht möglich.
Eine geometrische Schirmform mit einem optischen Übertragungsverhalten, das die modulierten Lichtwellen aller Hologrammgebiete für jede mögliche Augenpositionen frei von Aberrationen innerhalb eines großen Nachführbereichs in den gleichen Sichtbarkeitsbereich führt, kann objektiv nicht realisiert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend von den dargestellten Problemen bekannter Lösungen, die Kompensation von optischen Fehlern in einem großen Nachführbereich der optischen Wellennachführung dynamisch anzupassen, ist es daher Aufgabe der Erfindung, die Auswirkung der Fehler der optischen Elemente, insbesondere den Wiedergabeschirm so zu reduzieren, dass für jede Augenposition eines Betrachters in einem großen Nachführbereich die komplette 3D-Szene im Sichtbarkeitsbereich möglichst fehlerfrei zu sehen ist. Zusätzlich sollen alle Objektlichtpunkte der 3D-Szene möglichst aberrationsfrei rekonstruiert werden. Eine vorrangige Aufgabe der Erfindung besteht darin, den beschriebenen, extrem breiten Nachführbereich für ein gleichzeitiges Betrachten der Rekonstruktion durch mehrere, nebeneinander positionierte Betrachter zu realisieren.
Die Erfindung geht von einem holographischen Projektionssystem aus, das mindestens einen holographischen Projektor und einen Wiedergabeschirm enthält.
Jeder holographische Projektor enthält räumliche Lichtmodulationsmittel, die sequentiell mit einer Videohologrammfolge kodiert sind, und Abbildungsmittel, welche die Videohologramme auf dem Wiedergabeschirm abbilden. Die räumlichen Lichtmodulationsmittel modulieren eine interferenzfähige Wellenfront mit holographischer Information, die mindestens einem Betrachterauge zugeordnet ist, um eine vorzugsweise dreidimensionale Szene zu rekonstruieren.
Jeder Projektor richtet über den Wiedergabeschirm die modulierte Wellenfront auf wenigstens eine gewünschte Augenposition, an der dadurch die der Augenposition zugeordnete holographische Rekonstruktion in einem Sichtbarkeitsbereich sichtbar ist. Da der Wiedergabeschirm fokussiert, ist der Sichtbarkeitsbereich deutlich kleiner, als der Querschnitt des Wiedergabeschirms. Das Projektionssystem kann für das zweite Auge eines Betrachters eine zweite modulierte Wellenfront mit entsprechender holographischer Information im Zeitmultiplex bereitstellen.
Außerdem enthält das Projektionssystem eine Positionssteuerung, welche für die modulierte Wellenfront eine Ausbreitungsrichtung und eine Ausgangsposition aus den Abbildungsmitteln einstellt. Dafür erhält die Positionssteuerung von einem Au genpositionsfinder Positionsdaten zur aktuellen Augenposition, der der generierten modulierten Wellenfront zugeordnet ist, und führt damit die modulierte Wellenfront über den Wiedergabeschirm positionsabhängig zur Augenposition des Betrachterauges. Um Positionswechseln eines Betrachters innerhalb eines Nachführbereichs zu folgen, führt die Positionssteuerung die Ausgangsposition und die Ausbreitungsrichtung der modulierten Wellenfront dynamisch der gewünschten Augenposition nach.
Das Projektionssystem gemäß der Erfindung rekonstruiert die Szene holographisch mit Teilwellenfronten, welche die räumlichen Modulationsmittel mit verschiedenen Modulatorsegmenten modulieren. Die Abbildungsmittel richten über eine Struktur von zumindest horizontal auf dem Wiedergabeschirm gestaffelten Schirmsegmenten diese Teilwellenfronten mit holographisch separat rekonstruierten Segmenten der Szene zur gewünschten Augenposition. Um die modulierten Teilwellenfronten korrekt auf die gewünschte Augenposition zu richten, stellt eine Systemsteuerung für jede Teilwellenfront, entsprechend ihrer Zuordnung zu einem Schirmsegment des Wiedergabeschirms, eine Ausgangsposition und eine Ausbreitungsrichtung ein. An der gewünschten Augenposition treffen von allen Schirmsegmenten Teilwellenfronten ein, welche zu einer Gesamtwellenfront kumulieren und gemeinsam die holographische Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene im Sichtbarkeitsbereich sichtbar machen.
Gemäß der Erfindung generiert das Projektionssystem die Teilwellenfronten dadurch, in dem die Systemsteuerung separat Modulatorsegmente aktiviert, die auf den Lichtmodulationsmitteln an verschiedenen Orten liegen. Die Systemsteuerung stellt für jede von einem aktiven Modulatorsegment modulierte Teilwellenfront mit der Positionssteuerung eine spezielle Ausbreitungsrichtung sowie eine entsprechende Ausgangspositionen ein, welche sowohl vom Ort des Modulatorsegments auf Lichtmodulationsmitteln als auch vom Ort des zugeordneten Schirmsegments auf dem Wiedergabeschirm abhängen.
Dadurch richten die Abbildungsmittel eine Teilwellenfront mit einem rekonstruierten Segment der Szene über ein zugeordnetes Schirmsegment des Wiedergabeschirms zur gewünschten Augenposition, wo alle rekonstruierten Segmente gemeinsam die rekonstruierte Szene vollständig sichtbar machen.
Ein Rekonstruieren der Szene mit den Mitteln gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass die Systemsteuerung für jede modulierte Teilwellenfront die Wellenausbreitung über die Ausbreitungsrichtung und die Ausgangspositionen an die Lage des zugeordneten Schirmsegmentes auf dem Wiedergabeschirm und die gewünschte Augenposition im Nachführbereich anpassen kann. Abhängig von der gewünschten Augenposition und dem zugeordneten Schirmsegment stellt die Systemsteuerung für jede modulierte Teilwellenfront einen solchen Einfallwinkel auf dem Wiedergabeschirm ein, dass die rekonstruierten Segmente der Szene aller Teilwellenfronten mit geringer Aberration und vollständig an der gewünschten Augenposition im Sichtbarkeitsbereich erscheinen.
In einer Ausführungsform der Erfindung generiert das Projektionssystem die Teilwellenfronten mit den Segmenten der holographisch rekonstruierten Szene im Zeitmultiplex mit einem einzigen holographischen Projektor und Softwaremitteln. Die Systemsteuerung aktiviert dafür in periodischer Folge innerhalb eines jeden Videohologramms verschiedene Modulatorsegmente in den Lichtmodulationsmitteln des Projektors und kodiert diese mit der gesamten holographischen Information eines aktuellen Videohologramms. Bei dieser Ausführung der Erfindung ändert die Systemsteuerung innerhalb jedes Videohologramms synchron mit dem Aktivieren der Modulatorsegmente über die Positionssteuerung die Ausgangsposition für den Projektor und die Ausbreitungsrichtung für die modulierte aktuelle Teilwellenfront.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Projektionssystem mehrere, lokal verteilte und im Raummultiplex gesteuerte holographische Projektoren. Die Projektoren sind je einem Schirmsegment eines einzigen Wiedergabeschirms zugeordnet und generieren für dieses Schirmsegment eine eigene Teilwellenfront mit einer dem Schirmsegment entsprechenden Ausbreitungsrichtung. Das hat den Vorteil, dass während der Wiedergabe des aktuellen Videohologramms die Ausgangsposition der holographische Projektoren nicht zum Anpassen an ein anderes Schirmsegment bewegt werden muss, sondern ausschließlich bewegt wird, um die zugeordnete Teilwellenfronten bei Änderungen der Augenposition nachzuführen. Diese Bewegungen können wesentlich langsamer ausgeführt werden, als ein Anpassen von Ausgangsposition und Ausbreitungsrichtung an verschiedene Schirmsegmente innerhalb der Dauer eines Videohologramms innerhalb einer sich bewegenden Videohologrammfolge.
Grundsätzlich kann das Projektionssystem den holographischen Projektor mechanisch bewegen, um die Ausbreitungsrichtung und die Ausgangspositionen der im Zeitmultiplex generierten Teilwellenfront zu ändern. Dabei bewegt die Positionssteuerung den Projektor synchron mit dem Wechsel des aktiven Modulatorsegmentes.
Eine flimmerfreie Darstellung der Rekonstruktion erfordert schnelle Positionswechsel der Ausgangsposition der aktuellen Teilwellenfront. Diese sind auf Grund der Trägheit von mechanischen Positioniersystemen nur schwer zu realisieren. Deshalb weist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung einstellbare optische Wellennachführmittel auf, welche innerhalb eines Videohologramms die Ausgangsposition und die Ausbreitungsrichtung für die Teilwellenfronten mit optischen Wellenumlenkmitteln auf verschiedene Schirmsegmente sequentiell einstellen. Die optischen Wellenumlenkmittel verändern die Ausgangsposition und die Ausbreitungsrichtung für die Teilwellenfronten ohne eine Änderung der realen Position des holographischen Projektors. Dieses hat den Vorteil, dass der Projektor zumindest zum sequentiellen Einstellen der Projektionspositionen und Ausbreitungsrichtung auf verschiedene Schirmsegmente nicht bewegt werden muss. Derartige optische Wellennachführmittel lenken die modulierten Teilwellenfronten beispielsweise mit Hilfe eines Spiegelsystems mit teilweise beweglichen Spiegeln um.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein Projektionssystem welches hologrammseitig optische Wellenfront-Teilermittel enthält. Die Wellenfront-Teilermittel nutzen beispielsweise ein System von voll- und halbreflektierenden Spiegeln, um eine von einem holographischen Projektor generierte modulierte Wellenfront des aktuellen Videohologramms der Szene optisch auf verschiedene Teilwellenfronten aufzuteilen. Dabei wird jeweils die holographische Information des aktuellen, räumlich gefilterten Videohologramms, das ein einziger holographischer Projektor generiert, optisch so im Raummultiplex aufgeteilt, dass je eine Teilwellenfront von einer Ausgangsposition von mehreren Ausgangspositionen des Wellenfront-Teilermittel zu einem zugeordneten Schirmsegment eines gemeinsamen Wiedergabeschirms läuft. Das heißt, das Wellenfront-Teilermittel stellt abhängig von der aktuellen Augenposition an verschiedenen Ausgangspositionen je eine Teilwellenfront bereit, welche Hologramminformationen von den lokal verschiedenen Modulatorsegmenten trägt und richtet diese mit verschiedenen Ausbreitungsrichtungen zum Wiedergabeschirm, so dass diese über verschiedene Schirmsegmente zum Sichtbarkeitsbereich an der aktuellen Augenposition gelangen. Die optischen Wellenfront-Teilermittel können einstellbare Wellennachführmittel aufweisen, welche für jede Teilwellenfront die Lage jeder Ausgangsposition und ihre Ausbreitungsrichtungen auf die aktuelle Augenposition einstellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen dafür zeigen im Einzelnen:
1: ein Grundprinzip für ein holographisches Rekonstruieren, das der Anmelder erstmalig in seiner internationalen Veröffentlichung WO 2004/044659 mit der Bezeichnung "Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen" beschrieb,
2a: einen Ausschnitt aus dem holographischen System nach 1, welcher das Kodieren der räumlichen Lichtmodulationsmittel am Beispiel für einen einzigen Objektlichtpunkt der dreidimensionalen Szene erläutert,
2b: den Ausschnitt des holographischen Systems wie in 1 mit Beispielen für das Kodieren eines Abschnittes der dreidimensionalen Szene mit ausgewählten Objektlichtpunkten.
3: ein Beispiel für ein holographisches System mit einem holographischen Projektor und einem Wiedergabeschirm,
4: ein holographisches Projektionssystem in einer allgemeinen Ausführungsform der Erfindung mit einer holographischen Rekonstruktion mit Segmenten
5: Details zum Projektionssystem nach 4; dabei werden Rekonstruktionssegmente benutzt, um den Sichtbarkeitsbereich einem Betrachter lateral nachzuführen
6: das Ausführungsbeispiel nach 4, bei dem der Sichtbarkeitsbereich einem Betrachter axial nachgeführt wird
7: ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Wellennachführmit tel die Ausgangsposition und die Ausbreitungsrichtung für die Teilwellenfront einstellen.
8a bis 8c: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein Projektionssystem, welches als Wiedergabeschirm einen fokussierenden Reflektor benutzt.
Ausführungsbeispiele
3 erläutert das für die Ausführung der Erfindung benutzte Grundprinzip eines holographischen Projektionssystems. Dabei wird noch einmal das Problem erklärt, welches die Erfindung löst. Das holographische Projektionssystem enthält im Wesentlichen einen holographischen Projektor HP und einen fokussierenden Wiedergabeschirm S, welcher im Interesse eines weiten Sichtwinkels sehr groß sein soll und entweder transmissiv als Linse oder reflektierend als Hohlspiegel ausgeformt sein kann, sowie eine nicht gezeigte computergestützte Systemsteuerung.
Der holographische Projektor HP enthält eine interferenzfähige Modulatorbeleuchtung, welche die Modulatorzellenfläche eines räumlichen Lichtmodulators SLM mit einer ebenen Wellenfront LW beleuchtet. Der Lichtmodulator SLM trägt eine Fläche mit Modulatorzellen, die ein nicht gezeichneter Hologrammprozessor dynamisch mit holographischer Information einer gewünschten dreidimensionalen Szene kodiert. Wie bei herkömmlichen holographischen Systemen bilden die kodierten Modulatorzellen ein dynamisches Videohologramm, das die Wellenfront LW mit holographischer Information moduliert. Die Fläche der Modulatorzellen hat beispielsweise einen Durchmesser von wenigen Zentimetern. Der Lichtmodulator SLM kann sowohl ein mikromechanisches Display sein, zum Beispiel ein so genanntes Micro-Electro-Mechanical System, MEMS, oder ein Liquid Crystal an Silicon-Mikrodisplay, LCoS, wie sie in sowohl für die Daten- und Videoprojektion verwendet werden. In der gezeichneten Ausführung durchleuchtet die Wellenfront LW einen transmissiven Lichtmodulator SLM. Bei einem an sich bekannten modifizierten optischen Aufbau kann aber ebenso ein reflexiv modulierender Lichtmodulator genutzt werden. In einer Bildebene der Modulatorbeleuchtung entsteht durch Transformation einer Sammellinse L1 eine Fourier-Transformierte der modulierten Wellenfront. Dort liegt ein Filter AP, welcher nur eine Beugungsordnung des modulierten Lichts passieren lässt. Eine Abbildungsoptik L2 bildet den Lichtmodulator SLM vergrößert auf einem fokussierenden Wiedergabeschirm S ab und der Wiedergabeschirm S bildet das räumlich gefilterte Raumspektrum an der aktuellen Augenposition EP ab, die ein Augenfinder für die Wellennachführmittel gefunden hat. Beim Abbilden des gefilterten Raumspektrums formt die Geometrie des Filters AP in der Ausgangspupille des Systems den Sichtbarkeitsbereich VR, durch den ein Betrachter die holographisch rekonstruierte Szene betrachten kann.
Von einer dreidimensionalen Szene mit vielen Objektlichtpunkten LP_m, welche als holographisch rekonstruierte Szene 3DS vor der aktuellen Augenposition EP erscheinen soll, werden im vorliegenden Fall nur zwei ausgewählte einzelne Objektlichtpunkte OP₁ und OP₂ betrachtet. Diese wurden aus vielen Objektlichtpunkten der Szene ausgewählt. Beide Objektlichtpunkte sind innerhalb der Szene räumlich so angeordnet, dass ihre holographische Information zum Rekonstruieren beider Objektlichtpunkte, für den Objektlichtpunkt OP₁ in einem Hologrammgebiet H1 im Zentrum des Lichtmodulators SLM kodiert ist, während die Information für den Objektlichtpunkt OP₂ ein Hologrammgebiet H2 am Rande des Lichtmodulators SLM trägt. Das Hologrammgebiet H1 moduliert also eine Lichtwelle LW _mod1, welche den Objektlichtpunkt OP₁ rekonstruiert und auf die Mitte des Wiedergabeschirms S trifft, während die modulierte Lichtwelle vom Hologrammgebiet H2 auf den Rand des Wiedergabeschirms S trifft.
Von Nachteil ist jedoch, dass Aberrationen am Wiedergabeschirm S modulierte Lichtwellen von Hologrammgebieten am Rand des Lichtmodulators SLM nicht für jede mögliche Augenposition, die ein Betrachter innerhalb eines Nachführbereiches einnehmen darf, in den Sichtbarkeitsbereich VR führen. Diese Aberrationen sind, wie ausgeführt, positionsabhängig und lassen sich bei einem geforderten großen Nachführbereich nicht mit einer statischen Korrektur komplett kompensieren
3 zeigt deutlich, dass das System den Objektlichtpunkt OP₂ richtig rekonstruiert. Dennoch bildet der Wiedergabeschirm S eine entsprechende Abbildung OP₂' an einer falschen Position ab. Die modulierte Teil-Lichtwelle LW _{mod 2} für den ausgewählten Objektlichtpunkt OP₂ läuft am Sichtbarkeitsbereich VR vorbei, so dass ein Betrachter diesen Objektlichtpunkt nicht wahrnehmen kann. Dieser Effekt wird nachfolgend im Dokument als Vignettierung bezeichnet.
4 zeigt das Projektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses bildet im Gegensatz zu einem herkömmlichen holographischen Projektionssystem die mit holographischer Information modulierte Wellenfront immer nur mit Hilfe von einzelnen Schirmsegmenten auf dem Wiedergabeschirm S ab. Die nicht gezeichnete computergestützte Systemsteuerung, welche bei holographischen Wiedergabesystemen üblich ist, um den Prozessablauf des Rekonstruierens zu kontrollieren, ordnet den Modulatorzellen im holographischen Projektor verschiedene Modulatorsegment MS1 ... MS3 zu. Dadurch trägt der Lichtmodulator SLM in einem aktiven Modulatorsegment MS1 das beispielhaft gezeichnetes Hologrammgebiet H1, welches die Lichtwellenfront LW so moduliert, dass das System den Objektlichtpunkt OP₁ gemeinsam mit weiteren, nicht dargestellten Objektlichtpunkten aus der räumlichen Umgebung vom ausgewählten Objektlichtpunkt OP₁ holographisch rekonstruiert. Das heißt, das aktive Modulatorsegment MS₁ trägt gleichzeitig eine Vielzahl weiterer, teilweise sich überlagernde Hologrammgebiete, welche andere, nicht gezeichnet Objektlichtpunkte aus der Umgebung des ausgewählten Objektlichtpunktes OP₁ als Segment der Szene rekonstruieren.
Die Systemsteuerung kodiert im Zeitmultiplex jedes weitere Modulatorsegment ebenso wie das Modulatorsegment MS1 mit einer Vielzahl von Hologrammgebieten aus einer gemeinsamen Objektumgebung. Nach einem sequentiellen Aktivieren durch die Systemsteuerung moduliert jedes Modulatorsegment die ihm zugeordnete Teilwellenfront mit einem entsprechenden Teil der holographischen Information. Die Zuordnung der Information des aktuellen Videohologramms erfolgt der Art, das alle Teilwellenfronten mit einem eigenen Teilbereich gemeinsam die dreidimensionale Szene rekonstruieren.
Die Abbildungsoptik L2 bildet den rekonstruierten Objektlichtpunkt OP₁ gemeinsam mit anderen rekonstruierten Objektlichtpunkten, die ebenfalls im Modulatorsegment MS1 kodiert, aber in 4 nicht dargestellt sind, auf dem Wiedergabeschirm S in einem Schirmsegment S1 ab.
Gemäß der vorliegenden Erfindung aktiviert die computergestützte Systemsteuerung das Modulatorsegment MS1 des SLM, beispielsweise durch separates Einschalten eines entsprechend strukturierten Segmentes der Modulatorbeleuchtung. Dieses kann beispielsweise eine flächenförmige Modulatorbeleuchtung für den räumlichen Lichtmodulator SLM sein, bei dem ein von der Systemsteuerung geschalteter weiterer räumlicher Lichtmodulator im Lichtweg des kodierten Lichtmodulators SLM liegt, um im Zeitmultiplex die Beleuchtung für einzelne Modulatorsegmente passieren zu lassen. Alternativ dazu kann die Systemsteuerung auch nicht gewünschte Modulatorsegmente des kodierten Lichtmodulators SLM dunkel tasten.
Außerdem stellt die Systemsteuerung mit der Positionssteuerung für den holographischen Projektor HP eine solche Ausgangsposition POS1 mit einer Ausrichtung D1 für die modulierte Wellenfront ein, die dem aktiven Modulatorsegment MS1 entspricht. Dadurch richtet das aktive Modulatorsegment MS1 über das zugeordnete Schirmsegment S1 eine Teilwellenfront mit einem rekonstruierten Segment der Szene zur gewünschten Augenposition EP.
Da der Querschnitt des Sichtbarkeitsbereichs auf die Größe einer Augenpupille reduziert sein kann, ist es notwendig, mit einer Wellennachführung die modulierten Teilwellenfronten in der vorliegenden Ausführung im Zeitmultiplex auf die Augenposition, der die aktuellen Teilwellenfronten zugeordnet sind, auszurichten und jeder Bewegung des Auges innerhalb eines Nachführbereiches nachzuführen.
Beispielsweise kann die computergestützte Systemsteuerung die Ausgangsposition des holographischen Projektors HP mechanisch nachführen oder vorteilhaft realisiert eine optische Wellennachführung ein scheinbares Ändern der Ausgangsposition beispielsweise mit Hilfe von beweglichen Spiegeln.
Wie 4 zeigt, steht zu einem ersten Zeitpunkt der holographische Projektor an einer Ausgangsposition POS 1. Zu dieser Zeit ist nur das Modulatorsegment MS1 aktiv, das neben nicht gezeichneten Hologrammgebieten auch das Hologrammgebiet H1 für den Objektlichtpunkt OP₁ enthält. Der holographische Projektor steht dann an einer solchen Ausgangsposition POS 1 mit einer Ausrichtung D1, an der die Abbildungsoptik L2 die modulierte Teilwellenfront LW_mod1 auf das Schirmsegment S1 im Zentrum des Wiedergabeschirms S abbildet. Dann bildet auch der feststehende, fokussierende Wiedergabeschirm S den rekonstruierten Objektlichtpunkt OP₁' so ab, dass dieser im Sichtbarkeitsbereich VR erscheint.
Zu einem anderen Zeitpunkt stellt die Systemsteuerung für den Objektlichtpunkt OP2 den holographischen Projektor HP auf eine Ausgangsposition POS 2 und aktiviert dafür das Modulatorsegment MS2 mit dem Hologrammgebiet H2. In der Ausgangsposition POS 2 bildet die Abbildungsoptik L2 über ein Schirmsegment S2 den rekonstruierten Objektlichtpunkt OP₂ auf dem Wiedergabeschirms S ab. Die Aus gangsposition POS 2 und die Ausrichtung D2 des Projektors sind so eingestellt, dass die modulierte Teilwellenfront LW_mod2 ebenfall ohne Vignettierung in den Sichtbarkeitsbereich VR gelangt, so dass der rekonstruierte Objektlichtpunkt OP₂' ohne Störung dort zu sehen ist.
Das Generieren der modulierte Teilwellenfront LW _mod1 und LW _mod2 im Zeitmultiplex erfordert einen periodischen Wechsel der Ausgangsposition POS 1 und 2 mit einer Wiederholrate, die so hoch ist, dass das Betrachterauge im Sichtbarkeitsbereich eine homogene Rekonstruktion der Objektlichtpunkte ohne Lichtflimmern wahrnimmt, d. h. mindestens 25 Hz.
Im Ausführungsbeispiel nach 4 wurden als Beispiel nur zwei Schirmsegmente und zwei Ausgangspositionen gezeichnet. Zur Lösung des Problems trägt jedoch insbesondere eine größere Anzahl an Schirmsegmenten mit den entsprechenden Ausgangspositionen bei.
Die Anzahl der benötigten Schirmsegmente hängt von der Größe des Wiedergabeschirms und des Nachführbereichs der Positionssteuerung ab. Vorteilhaft sollte die Größe eines jeden Modulatorsegments und Form und Größe des Wiedergabeschirm S so bemessen sein, dass die zugehörige Wellenfront an der Augenposition mit einer Ausdehnung eintrifft, welche die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereiches nicht überschreitet.
5 erläutert das Rekonstruierende einer Szene mit separaten Teilwellenfronten, die sich über verschiedene Segmente ausbreiten, näher. Dabei sind dem Lichtmodulator SLM ebenfalls Modulatorsegmente MS1 ... MS3 und dem Wiedergabeschirm S die Schirmsegmente S1 ... 33 zugeordnet. Eine Positionssteuerung als Bestandteil der Software der Systemsteuerung hat, wie 5 zeigt, die Teilwellenfronten dem Betrachter auf eine neue Augenposition EP_n nachgeführt. Im vorliegenden Fall liegt der Sichtbarkeitsbereich VR erheblich neben der optischen Achse OA des Wiedergabeschirms S und die Aberrationen des Wiedergabeschirms lassen sich nicht mehr mit einer statischen Aberrationskorrektur kompensieren.
In einem ersten Zeitintervall befindet sich der holographische Projektor HP in einer Ausgangsposition POS1 und das Modulatorsegment MS1 mit dem Hologrammgebiet H1 für den Objektlichtpunkt OP₁ ist aktiv. In dieser Zeit sieht ein Betrachter an der Augenposition EP_n über das Schirmsegment S1 den rekonstruierten Objektlichtpunkt OP₁'.
In einem zweiten Zeitintervall befindet sich der holographische Projektor HP in der Ausgangsposition POS 2. Nun ist das Modulatorsegment MS₂ mit dem Hologrammgebiet H2 für den Objektlichtpunkt OP₂' aktiv und die Abbildungsoptik L2 bildet das Modulatorsegment MS₂ auf dem Schirmsegment S2 ab. Die Ausgangsposition POS 2 des Projektionssystems ist gegenüber der Ausgangsposition POS 1 so geändert, dass die Teilwellenfront LW _{mod 2} trotz Aberrationen am Wiedergabeschirm S in den Sichtbarkeitsbereich VR gelangt. Mit Hilfe der Position und Ausrichtung des Projektionssystems werden daher die Aberrationen vom Wiedergabeschirm S kompensiert. In diesem zweiten Zeitintervall sieht ein Betrachter nun im Sichtbarkeitsbereich VR den Objektlichtpunkt OP₂' über das Schirmsegment S2.
Ähnliches gilt in einem nicht gezeichneten dritten Zeitintervall für das Schirmsegment S3.
Das Aktivieren der Modulatorsegmente und die Änderung von Ausgangsposition und Ausbreitungsrichtung der Teilwellenfronten müssen so schnell ablaufen, dass der Betrachter die Rekonstruktion dennoch als Ganzes wahrnimmt. Der gesamte Prozess soll daher mit einer Wiederholrate von mindestens 25 Hz ablaufen.
Die Breite der Modulatorsegmente und somit auch die der Schirmsegmente hängt einerseits von den Aberrationen des Wiedergabeschirms im geforderten Nachführbereich ab. Die maximale Breite eines Modulatorsegments hängt aber auch andererseits von der Breite des Sichtbarkeitsbereiches ab, da alle Teile des holographisch rekonstruierten Segmentes der Szene im Sichtbarkeitsbereich wahrnehmbar sein müssen.
Außerdem muss jedes Modulatorsegment mindestens so breit sein, dass eine hinreichende Anzahl von Modulatorzellen zur Rekonstruktion eines Objektlichtpunktes beiträgt. Die Segmentbreite bestimmt also auch die geforderte Schärfe der holographischen Rekonstruktion. Eine zu geringe Breite hätte eine verbreiterte und unscharfe Rekonstruktion des Objektlichtpunktes zur Folge.
Da in der Praxis Millionen von Objektlichtpunkten zum Rekonstruieren einer Szene notwendig sind, enthält jedes Modulatorsegment auf dem Lichtmodulator SLM auch eine Vielzahl von Hologrammgebieten. Andererseits kann ein Hologrammgebiet eines einzigen Objektlichtpunktes, wenn dieser beispielsweise im Vordergrund der Szene liegt, auch auf mehrere Modulatorsegmente verteilt sein. Die Segmente können auch eine unterschiedliche Breite aufweisen.
5 zeigt, wie die Lösung gemäß der Erfindung benutzt wird, um den Sichtbarkeitsbereich lateral zu einer Augenposition zu führen, die abseits der optischen Achse OA des Wiedergabeschirms liegt. Im Gegensatz dazu zeigt 6 wie mit den Ausführungsformen der Erfindung ein Nachführen realisiert wird, wenn sich ein Betrachter entlang der Schirmachse zum Sichtbarkeitsbereich VR' bewegt.
Hierzu wird der holographische Projektor für das Schirmsegment S2 von der ursprünglichen, Ausgangsposition POS 2 in die neue Position POS2' gesetzt. Die Teilwellenfronten LW _mod1 und LW _mod2 treffen sich nun nicht mehr im ursprünglichen Sichtbarkeitsbereich VR P, sondern im neuen Sichtbarkeitsbereich VR' in einer anderen Betrachterebene. Ähnliches gilt für die Ausgangsposition des holographischen Projektors und die Ausbreitungsrichtung der Teilwellenfronten mit dem Schirmsegment S3. Die Schirmsegmente werden wiederum sequentiell benutzt. So sieht der Betrachter alle rekonstruierten Objektlichtpunkte im neuen Sichtbarkeitsbereich VR'.
Auch hier sind die Ausdehnungen aller Segmente so bemessen, dass das Licht eines jeden Segments in den Sichtbarkeitsbereich gelangt.
Es ist offensichtlich, dass zum axialen und lateralen Nachführen der Wellenfront in andere Augenpositionen, die Position des Projektors der Segmente in ähnlicher Weise angepasst werden kann.
Von Nachteil ist, dass ein mechanisches Wechseln der lokalen Ausgangsposition des Projektors und seiner Ausrichtung, wie in den vorangegangenen Ausführungen beschrieben wurde, in der Praxis kaum durch mechanisches Bewegen des Projektors hinreichend schnell möglich sind.
7 zeigt deshalb eine Ausführungsform, welche das Problem mit einer optischen Wellennachführung löst. Die Wellennachführung liegt betrachterseitig vom holographischen Projektor, aber vor dem Wiedergabeschirm und enthält beispielsweise einen drehbaren Nachführspiegel M1 und einen gewölbten Umlenkspiegel M2, um die modulierte Teilwellenfront betrachterseitig vom der Abbildungsoptik L2 des Projektors so umzulenken, dass diese für den Wiedergabeschirm eine andere Ausgangsposition und andere Ausbreitungsrichtung der Wellenfront aufweist. Der Projektor selbst verbleibt beim Wechseln der Ausgangsposition und Ausbreitungsrichtung in der festen zentralen Position POS 0. Der Umlenkspiegel M2 ist größer als sie auftreffende Teilwellenfront, um ein mechanisches Verschieben zum Einstellen der Ausgangsposition zu vermeiden. Seine Wölbung bewirkt, dass er die räumlich gefilterte Wellenfront auf das entsprechende Schirmsegment vergrößert abbildet. Eine entsprechende Nachführeinrichtung mit derartigen Spiegeln hat der Anmelder in seiner früheren Patentanmeldung DE 10 2007 005 822.7 mit der Bezeichnung "Holographisches Rekonstruktionssystem mit optischen Nachführmitteln" hinreichend offenbart.
Der Nachführspiegel M1 und der Umlenkspiegel M2 sind so positioniert und ausgerichtet, dass die Teilwellenfront LW_mod einen Wellenweg hat, als käme sie von der virtuellen Ausgangsposition POS 2. Die Teilwellenfront LW_mod trifft das Schirmsegment S2 des Wiedergabeschirms S unter solch einem Winkel, dass es in den Sichtbarkeitsbereich VR gelangt. Die Aberrationen des Wiedergabeschirms S werden somit durch Bewegen des Nachführspiegels M1 und des Umlenkspiegels M2 verringert. Ähnliches gilt für die Segmente S1 und S3.
Die dargestellte Lösung hat den Vorteil, dass in Verbindung mit der in der Patentanmeldung DE 10 2007 005 822.7 dargestellten optischen Wellennachführung mit einem elliptischen Spiegelsegment das Realisieren von virtuellen Ausgangspositionen und das Ausrichten einfacher zu realisieren ist, als ein schnelles Bewegen und Ausrichtung des Projektors.
8a bis 8c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein Projektionssystem, welches als Wiedergabeschirm S einen fokussierenden Reflektor benutzt. Um die Aberrationen klein zu halten, hat der Wiedergabeschirm S die Form eines Segmentes von einem Ellipsoiden. In einem Brennpunkt des Ellipsoiden liegt die Augenposition EP, um den anderen pendelt die Ausgangspupille des holographischen Projektors HP zwischen den Ausgangspositionen POS 1 bis POS 3. Jede der drei Teilfiguren zeigt das Generieren einer Teilwellenfront LW_mod1, LW_mod2 und LW_mod3 im Zeitmultiplex. Um Sprünge im Bewegungsablauf der Positionierung des Projektors zu vermeiden, werden die Teilwellenfronten in der Reihenfolge LW_mod2, LW_mod1 und LW_mod3 bereitgestellt.
Für die vorliegende Erfindung kann die Systemsteuerung die für eine Rekonstruktion nicht benötigten Modulatorsegmente im Lichtmodulator SLM am einfachsten durch Sperren für die Kodierung mit einem Hologramm deaktivieren. Bei einem Amplituden-Lichtmodulator SLM kann die Amplitude der Zellen in den Segmenten, die nicht aktiviert sein sollen, auf Null gesetzt werden.
Zum Aktivieren von Modulatorsegmenten kann im Lichtweg des Lichtmodulators SLM auch ein zusätzlicher Schalt-Lichtmodulator liegen, der in den einzelnen Segmenten das Licht durchlässt oder blockiert.
Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung liegen darin, dass unabhängig von der Augenposition im Betrachterraum alle Strahlenbündel in den Sichtbarkeitsbereich OW gelangen und somit die gesamte rekonstruierte Szene vor dem Wiedergabeschirm im Sichtbarkeitsbereich OW sichtbar ist.
Aufgrund der Dimensionierung des räumlichen Filters AP hat die Wellenfront am Wiedergabeschirm S eine Apertur, die in Relation zum Schirm klein ist. Dadurch sind die wirksamen Aberrationen des Wiedergabeschirms für jede Teilwellenfront zu vernachlässigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/119760 [0009, 0013, 0023]
- WO 2004/044659 [0010, 0046]
- WO 2006/119920 [0018]
- DE 102007005822 [0085, 0087]

Claims

Holographisches Projektionssystem mit einem Wiedergabeschirm und mindestens einem holographischen Projektor, der sowohl räumliche Lichtmodulationsmittel enthält, die eine Wellenfront zum Rekonstruieren einer Szene mit holographischer Information von Videohologrammen modulieren, als auch Abbildungsmittel, an denen eine Positionssteuerung eine Ausbreitungsrichtung der modulierten Wellenfront und eine Ausgangsposition einstellt, um die modulierte Wellenfront über den Wiedergabeschirm zu einer gewünschten Augenposition zu führen, und um die modulierte Wellenfront mit der rekonstruierten Szene der gewünschten Augenposition nachzuführen, gekennzeichnet durch eine Systemsteuerung, welche: – in den Lichtmodulationsmitteln (SLM) Modulatorsegmente (MS₀ ... MS_n) separat aktiviert und – mit der Positionssteuerung jeweils eine vom aktiven Modulatorsegment (MS_a) abhängige Ausbreitungsrichtung (D1, D2) sowie eine entsprechende Ausgangsposition (POS1, POS2) für eine modulierte Teilwellenfront einstellt, so dass jedes aktive Modulatorsegment (MS_a) über ein zugeordnetes Schirmsegment (S_a) auf dem Wiedergabeschirm (S) seine modulierte Teilwellenfront mit einem rekonstruierten Segment der Szene zur gewünschten Augenposition (EP) richtet, wo alle rekonstruierten Segmente gemeinsam die rekonstruierte Szene (3DS) vollständig sichtbar machen.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die Systemsteuerung für jede aktuelle modulierte Teilwellenfront die Ausbreitungsrichtung (D1, D2) und die Ausgangsposition (POS1, POS2), sowohl abhängig von der aktuellen Augenposition (EP) als auch von der Position des aktiven Modulatorsegments auf den räumlichen Lichtmodulationsmitteln (SLM) einstellt.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 1, mit einem von der Systemsteuerung im Zeitmultiplex gesteuerten holographischen Projektor (HP), der die Teilwellenfronten jeweils mit sequentiell aktiven Modulatorsegmenten und durch Einstellen einer dem aktiven Modulatorsegment entsprechenden Ausbreitungsrichtung und Ausgangsposition generiert.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 3, mit einer Modulatorbeleuchtung für die räumlichen Lichtmodulationsmittel, bei dem ein von der Systemsteuerung geschalteter räumlicher Lichtmodulator im Lichtweg der Lichtmodulationsmittel liegt, um im Zeitmultiplex die Beleuchtung für die Modulatorsegmente zu aktivieren.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 3, welches einstellbare optische Wellennachführmittel (M1, M2) enthält, welche für die Teilwellenfronten die Ausbreitungsrichtung und die Ausgangsposition abhängig von der Position des aktiven Modulatorsegmentes auf den Lichtmodulationsmittel sequentiell einstellen.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem mehrere lokal verteilte, im Raummultiplex gesteuerte, holographische Projektoren mit Teilwellenfronten, die separate Ausbreitungsrichtungen und Ausgangspositionen aufweisen, die Szene rekonstruieren, um hologrammseitig jede Teilwellenfront auf ein zugeordnetes Schirmsegment zu richten.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 6, bei dem die Systemsteuerung die Ausbreitungsrichtungen und Ausgangspositionen der Teilwellenfronten abhängig von der aktuellen Augenposition und abhängig von der Position des zugeordneten Schirmsegmentes auf dem Wiedergabeschirm (S) einstellt.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 6 mit Kodiermitteln, welche die holographische Information des aktuellen Videohologramms auf Hologrammsegmente verteilen und verschiedenen holographischen Projektoren diese Hologrammsegmente zuweisen.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 1, welches hologrammseitig optische Wellenfront-Teilermittel enthält, um eine von einem holographischen Projektor generierte Wellenfront mit der Information des aktuellen Videohologramms der Szene auf verschiedene Teilwellenfronten aufzuteilen, welche die optischen Teilermittel über verschiedene Ausgangspositionen in verschiedene Ausbreitungsrichtungen verlassen.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 9, bei dem die optischen Wellenfront-Teilermittel einstellbare Wellennachführmittel aufweisen, welche für jede Teilwellenfront die Lage jeder Ausgangsposition und ihre Ausbreitungsrichtungen auf die aktuelle Augenposition (EP_L/EP_R) einstellen.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die Abbildungsmittel zu den Schirmsegmenten des Wiedergabeschirms eine Struktur von horizontal gestaffelten Teilwellenfronten richten.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die Größe eines jeden Modulatorsegments so bemessen ist, dass die Teilwellenfront, welche die Abbildungsmittel auf das entsprechende Schirmsegment leiten und welche das Schirmsegment an der Augenposition abbildet, eine Breite aufweist, die maximal der Breite des Sichtbarkeitsbereichs entspricht.
Holographisches Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die Ausbreitungsrichtungen und Ausgangspositionen des holographischen Projektors verändert werden, um die modulierte Wellenfront über den Wiedergabeschirm zu einer gewünschten Augenposition zu führen.