DE102004044111A1

DE102004044111A1 - Verfahren und Einrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von computergenerierten Videohologrammen

Info

Publication number: DE102004044111A1
Application number: DE102004044111A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Leister; Ralf Dr. Häußler; Armin Dr. Schwerdtner
Original assignee: SeeReal Technologies GmbH
Current assignee: SeeReal Technologies GmbH
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-09-09
Also published as: RU2362196C2; TW200617625A; CA2577858C; KR20070102476A; IL181493A0; CN100498592C; TWI298118B; BRPI0515644A; CA2577858A1; US7643189B2; DE102004044111B4; JP4695141B2; IL181493A; WO2006027228A1; JP2008512698A; ATE503212T1; DE602005027089D1; EP1792234B1; US20060050340A1; US20080198430A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Einrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von computergenerierten Videohologrammen mittels eines konventionellen Displays hat die Aufgabe, dreidimensionale Szenen mittels elektronisch steuerbarer matrixförmiger Pixelanordnungen mit einer minimal möglichen Auflösung, möglichst frei von Flimmern und Übersprechen, und in Echtzeit für beide Augen gleichzeitig in einem großen Betrachterwinkel holografisch zu rekonstruieren. Das Verfahren nutzt optisch fokussierende Mittel (2), um vertikal kohärentes Licht einer linienförmigen Lichtquelle (1) nach einer Modulation durch die matrixförmige Pixelanordnung (3) in Betrachterfenstern (8l, 8r) abzubilden. Durch Beugung an den Pixeln wird die holografische Rekonstruktion (11) der Szene für beide Augen eines Betrachters von den Betrachterfenstern (8l, 8r) aus sichtbar gemacht. Erfindungsgemäß liegen die steuerbaren Pixel innerhalb von Pixelspalten (15...18'), welche für beide Betrachteraugen (R, L) jeweils ein separates, eindimensionales, in vertikaler Richtung beugendes Hologramm derselben Szene kodieren, wobei die eindimensionalen Hologramme horizontal verschachtelt sind. Bildtrennmittel (7) mit parallel zu den Pixelspalten angeordneten Trennelementen geben die jeweilige Spaltengruppe (15, 15' oder 16, 16') für das entsprechende Betrachterauge frei und verdecken diese für das andere Auge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von großformatigen computergenerierten Videohologrammen mittels Displays mit minimaler Auflösung für einen großen Betrachterwinkel mit hoher räumlicher Bildqualität. Das Display enthält ein Panel mit steuerbaren matrixförmigen Pixelanordnungen, welche die Amplitude und/oder Phase von Licht elektronisch beeinflussen.
Im vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff Pitch den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Pixel des Displays und kennzeichnet damit die Displayauflösung.
Außerdem bezeichnet im vorliegenden Dokument der Begriff Kodieren die Art und Weise, die Pixelanordnung mit Steuerwerten zu beaufschlagen, um daraus eine dreidimensionale Szene holografisch zu rekonstruieren, welche durch Betrachterfenster hindurch sichtbar ist.
Geeignete Displays sind gegenwärtig als Amplituden- oder Phasendisplays beispielsweise in LCD-Technologie verfügbar. Die Erfindung kann jedoch ebenso für andere steuerbare matrixförmige Pixelanordnungen angewendet werden, welche kohärentes Licht nutzen.
Ein wesentliches Problem beim Kodieren und Rekonstruieren von großformatigen computergenerierten Videohologrammen stellt ein ausreichend großer Betrachterbereich zum Betrachten der Rekonstruktion dar. Gegenwärtig verfügbare großformatige Displays weisen Pixelanordnungen mit Pitchs auf, die nur in einen sehr kleinen Betrachterbereich das Licht beugen, so dass beidäugiges Betrachten einer rekonstruierten dreidimensionalen Szene nicht möglich ist. Um einen Sichtwinkel von etwa 60° zu erreichen, müsste der Pitch der steuerbaren Pixel etwa 1 μm betragen. Derartige hochauflösende Displays sind gegenwärtig nicht verfügbar. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass selbst bei Verfügbarkeit solcher Displays die erforderlichen Datenraten zur Berechnung, Ansteuerung und Übertragung der Steuerdaten sehr hohe Anforderungen an die Rechentechnik stellen.
Es sind verschiedene Vorschläge zur Lösung dieses Problems bekannt.

In der von Maeno und anderen in „Electro-holographic Display using 15 Mega Pixels LCD", Advanced 3D Project, 1996, SPIE, Vol. 2652, beschriebenen Anordnung ist das Problem einer Vergrößerung des Betrachterbereiches dadurch gelöst, dass anstelle eines konventionellen LC-Displays mit geringer Auflösung zur Darstellung des computergenerierten Videohologramms fünf spezielle Displays mit höherer Auflösung verwendet werden. Diese sind im so genannten Tiling-Verfahren entweder direkt oder durch optische Abbildung aneinander gesetzt. Es wird nur eine horizontale Parallaxe erzeugt, auf die vertikale Parallaxe wird verzichtet. In einem Beispiel werden zur Darstellung eines Videohologramms 3200 × 960 Pixel benötigt, um eine Szene von nur 50 mm × 150 mm mit einer Tiefe von 50 mm zu rekonstruieren. Der Betrachterbereich ist 65 mm breit, was dem Augenabstand entspricht, so dass das Bild mit beiden Augen gerade noch zu betrachten ist. Die erforderliche Auflösung hängt von der Größe des gewünschten Videohologramms und des Betrachterbereiches ab. Von Nachteil ist jedoch die erforderliche Vielzahl der Displays, die große Linse zur Rekonstruktion, die damit verbundene große Bautiefe und voluminöse Anordnung sowie die große benötigte Rechenleistung.

Eine weitere Lösung zum Erweitern des Betrachterbereiches wird von Mishina u.a. beschrieben in „Viewing-zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction", Applied Optics, 2002, Vol. 41, No.8. Das Verfahren rekonstruiert nicht nur ein Hologramm in der ersten Beugungsordnung, sondern auch in weiteren Ordnungen und fügt diese zu einem gemeinsamen Betrachterbereich zusammen. Die entsprechenden Videohologramme für ein bestimmtes Objekt sind zeitlich nacheinander auf einem LC-Display dargestellt. Mittels eines zweiten LC-Displays, das als Ortsfrequenzfilter dient, werden die verschiedenen Beugungsordnungen bei der Rekonstruktion herausgefiltert. Die sichtbaren Teilbereiche sind zeitsequentiell generiert und räumlich aneinandergereiht. Der erzielbare Betrachterbereich ist immer noch kleiner als 65 mm, so dass das rekonstruierte Objekt nur mit einem Auge zu betrachten ist. Nachteilig ist auch hier der hohe Rechenaufwand. Außerdem sind extrem schnell schaltbare Pixelanordnungen erforderlich.

Bei der zeitsequentiellen Aneinanderreihung verschiedener Beugungsordnungen müssen die verwendeten Displays neben einer möglichst großen Auflösung auch eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen, wenn das Bild nicht flimmern soll. Deshalb verwendet man meist binäre Hologrammdarstellungen, die aber durch die Binärcodierung erhebliche Fehler erzeugen.

Ein gemeinsamer Nachteil bekannter holografischer Verfahren ist der hohe Rechenaufwand zur Erzeugung der Hologramme.

Aus dem Dokument WO 2003/021363 (A1) ist bekannt, auf die vertikale Parallaxe in der Rekonstruktion zu verzichten und diese nur horizontal darzustellen. Die Anordnung enthält ein Beleuchtungssystem für ein computergeneriertes Hologramm, das eine linienförmigen Lichtquelle für monochromatisches Licht nutzt, dessen Bandbreite unter 10 nm liegt und das in horizontaler Richtung kohärent aber in vertikaler Richtung inkohärent ist.

In der Druckschrift WO 2004/044659 (A2) stellt die Anmelderin eine Einrichtung zum Rekonstruieren von Videohologrammen vor mit mindestens einer reellen oder virtuellen punkt- und/oder linienförmigen, hinreichend kohärenten Lichtquelle, einer Linse und matrixförmig angeordneten Zellen mit mindestens einer in Amplitude und/oder Phase steuerbaren Öffnung je Zelle und einer Betrachterebene am Ort des Lichtquellenbildes. Die Einrichtung rekonstruiert ein Videohologramm in einem Periodizitätsintervall der Fouriertransformierten in einer Betrachterebene. Die rekonstruierte dreidimensionale Szene kann mit beiden Augen durch Betrachterfenster hindurch betrachtet werden, wobei die Ausdehnung des Betrachterfensters nicht größer als das Periodizitätsintervall ist. Die Szene ist innerhalb eines Rekonstruktionskegels sichtbar, der zwischen der Displayfläche und dem Betrachterfenster aufgespannt wird, wobei die Szene vor, auf oder hinter der Displayfläche rekonstruiert werden kann. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt es, das Videohologramm auf einem konventionellen Display mit derzeit verfügbarer Auflösung von etwa 3 Millionen Pixeln bei vertretbarem Hardware und Rechenaufwand zu kodieren.

Eine erweiterte Ausführungsform der Lösung sieht vor, dem anderen Auge des Betrachters ein zweites Betrachterfenster durch Zuschalten einer zweiten reellen oder virtuellen, hinreichend kohärenten Lichtquelle an einem anderen geeigneten Ort im optischen System zuzuordnen. Dabei führt eine sequentielle Darstellung aufgrund zu geringer Bildwechselfrequenz und langen Schaltzeiten zu einem Übersprechen zwischen beiden Augen.

Eine linienförmige Lichtquelle kann beispielsweise eine abgedeckte konventionelle Lichtquelle sein, deren Licht durch einen schmalen Spalt strahlt.

Eine Lichtquelle kann im Sinne dieses Dokumentes als hinreichend kohärent angesehen werden, wenn Ihr Licht soweit räumlich kohärent ist, dass es interferenzfähig ist, so dass es zumindest für eine eindimensionale holografische Rekonstruktion mit hinreichender Auflösung geeignet ist. Diese Anforderungen können auch konventionelle Lichtquellen erfüllen, wenn sie durch einen hinreichend engen Spalt strahlen. Eine linienförmige Lichtquelle kann senkrecht zu ihrer Länge als punktförmig angesehen werden. Das Licht ist dann in dieser Richtung kohärent und senkrecht dazu aber inkohärent.

Um eine zeitliche Kohärenz zu gewährleisten, muss das Spektrum der Lichtquelle genügend schmalbandig sein. Die Farbinformation kann monochromatisch, zeitsequentiell oder durch Filtermittel räumlich in spektrale Anteile zerlegt werden. Die matrixförmig angeordneten elektronisch steuerbaren Pixel modulieren die Amplitude und/oder Phase des interferenzfähigen Lichtes. Für Pixelanordnungen, welche die Phase des kohärenten Lichts nicht direkt steuern können, kann das bekannte Detour-Phasen-Verfahren genutzt werden, um mit Hilfe von Amplitudeneinstellungen mit mehreren Pixeln pro holografischen Bildpunkt die Phase des Lichts einzustellen.

Ausgehend von den aufgeführten Nachteilen der bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, dreidimensionale Szenen in Form von computergenerierten Videohologrammen mittels elektronisch steuerbarer matrixförmiger Pixelanordnungen mit einer minimal möglichen Auflösung, möglichst frei von Flimmern- und Übersprechen und in Echtzeit für beide Augen gleichzeitig in einem großen Betrachterbereich sichtbar darzustellen, so dass die benötigte Bildwiederholrate gegenüber dem bekannten Zeitmultiplexverfahren wesentlich geringer ist.

Zum Lösen der Aufgabe geht die vorliegende Patentanmeldung von einem Verfahren zum Kodieren und Rekonstruieren von Videohologrammen aus, bei dem optisch fokussierende Mittel kohärentes Licht einer linienförmigen Lichtquelle durch matrixförmig angeordneter steuerbarer Pixel hindurch in Betrachterfenster abbilden, welche in einer Beugungsordnung liegen, um eine in den steuerbaren Pixeln holografisch kodierte Szene zu rekonstruieren und durch Betrachterfenster sichtbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird Licht benutzt, welches nur in vertikaler Richtung kohärent ist, um mit den steuerbaren Pixeln für beide Augen eines Betrachters jeweils eine vertikale eindimensionale Rekonstruktion von Hologrammen derselben Szene zu realisieren. Dieses geschieht in der Art, dass jeweils eine Spaltengruppe von horizontal verschachtelten Pixelspalten der matrixförmigen Pixelanordnung ein nur für ein Auge bestimmtes Hologramm enthält. Dabei entstehen zwei räumlich verschachtelte Hologramme einer Szene. D.h., alle Pixelspalten einer ersten Spaltengruppe der Pixelanordnung rekonstruieren ein Hologramm für ein Betrachterauge, während benachbarte Pixelspalten der zweiten Spaltengruppe das Hologramm für das andere Auge rekonstruieren.

Da das in horizontaler Richtung inkohärente Licht die Szene konventionell abbildet, können bekannte Bildtrennmittel mit parallel zu den Spalten angeordneten Trennelementen zum Selektieren der beiden Hologramme auf das linke bzw. rechte Auge benutzt werden. Die Bildtrennmittel sind in einem Abstand zur Pixelanordnung angeordnet und geben die für das entsprechende Auge bestimmte Spaltengruppe frei und verdecken jeweils die Spaltengruppe für das andere Auge.

Beide Augen sehen diese Hologramme gleichzeitig jeweils in einem separaten Betrachterfenster. Dabei führt die kohärente Beleuchtung in vertikaler Richtung von jedem Hologramm zur Rekonstruktion der Szene in Rekonstruktionsräumen, welche die Form eines Pyramidenstumpfes haben, während die inkohärente Beleuchtung in horizontaler Richtung den Einsatz von bekannten Bildtrennmitteln zum Selektieren der Hologramme für das entsprechende Auge ermöglicht, um aus beiden Hologrammen eine Rekonstruktion der Szene mit horizontaler Parallaxe bei beidäugiger Betrachtung zusammenzusetzen. D.h., beide Hologramme unterscheiden sich durch eine horizontale Parallaxe entsprechend dem Augenabstand. Die Pyramidenstumpfform der Rekonstruktionsräume entsteht als räumliche Begrenzung zwischen den Rändern der Betrachterfenster und den Rändern der Pixelanordnung, wobei die Pixelanordnung auch so kodiert werden kann, dass die Rekonstruktion auch in Rekonstruktionsräumen liegen kann, die sich hinter der Pixelanordnung fortsetzen.

Als Bildtrennmittel kann eine Barrieremaske im Abstand zur Pixelmatrix angeordnet sein. Dann sind die Trennelemente transparente und nichttransparente Streifen, welche je eine der verschachtelten Spaltengruppen für das rechte beziehungsweise linke Auge eines Betrachters freigegeben und für das jeweils andere Auge verdecken.

Die holografisch codierten Spalten einer Gruppe rekonstruieren vorteilhaft Teilbilder entsprechend der Augenposition aus derselben Szene, die sich zu einer gesamten Rekonstruktion des Objektes bei beidäugiger Betrachtung zusammensetzen.

Die Reihenfolge der Ausführung der aufgeführten Verfahrensschritte kann variieren. Insbesondere kann das Fokussieren, holografische Modulieren und das Trennen der Hologramme miteinander vertauscht werden.

Um die Betrachterfenster in einem großen Bereich für den Betrachter verfügbar zu machen, bestimmt ein Positionserfassungssystem die horizontale, vertikale und vorteilhaft auch die axiale Position der Augen des Betrachters, um bei Änderung der Augenposition die Lage und/oder den Inhalt der Betrachterfenster entsprechend zu aktualisieren.

Bei vertikaler Bewegung der Augenposition des Betrachters werden die Betrachterfenster durch ein entsprechend vertikales Verschieben der Lichtquelle nachgeführt.

Bei horizontaler Bewegung der Augenposition des Betrachters werden die Betrachterfenster vorteilhaft durch horizontales Verschieben der Spaltengruppen gegenüber den Bildtrennmitteln nachgeführt. Alternativ dazu können auch die Bildtrennmittel, insbesondere deren Trennelemente gegenüber den Spaltengruppen verschoben werden. Der Einsatz der horizontalen, linienförmigen Lichtquelle vereinfacht das Nachführen der Betrachterfenster.

Bei axialer Bewegung der Augenposition des Betrachters wird der Abstand von Lichtquelle und den optisch fokussierenden Mitteln positionsabhängig geändert.

Das Nachführen der Betrachterfenster entsprechend der Augenposition des Betrachters vor dem Display gewährleistet die Sichtbarkeit der holografischen Rekonstruktion in einem großen Bereich bei gleich konstant hoher Wiedergabequalität Außerdem kann abhängig von der Augenposition mittels Software die Kodierung der Pixelanordnung so aktualisiert werden, dass die holografische Rekonstruktion in ihrer räumlichen Position ortsfest sichtbar wird. Alternativ dazu kann aber auch die Kodierung so aktualisiert werden, dass die Rekonstruktionen in ihrer räumlichen Position für den Betrachter entsprechend horizontal und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar sind.

Eine Einrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von Videohologrammen geht von einer linienförmigen Lichtquelle mit kohärentem Licht aus, die vertikal fokussierende Mittel und eine Pixelanordnung mit steuerbaren Pixeln aufweist, welche die Amplitude und/oder Phase des kohärenten Lichts modulieren.

Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle horizontal angeordnet, so dass ihr Licht in vertikaler Richtung kohärent und in horizontaler Richtung inkohärent ist. In steuerbaren Pixeln der Pixelanordnung sind eindimensionale Videohologramme in Pixelspalten so kodiert, dass eine erste und eine zweite Spaltengruppe für jedes Auge des Betrachters separat je ein eindimensionales, vertikal beugendes Hologramm aus derselben Szene für die jeweilige Augenposition kodiert, wobei beide Spaltengruppen in horizontaler Richtung verschachtelt sind. Die Verschachtelung der Pixelspalten erfolgt derart, dass Bildtrennmittel, welche im Strahlengang des Lichtes liegen, mit parallel zu den Spalten angeordneten Trennelementen die jeweilige Spaltengruppe für das entsprechende Auge des Betrachters freigeben und für das jeweils andere Auge verdecken.

Dadurch wird im Rekonstruktionsraum vor den Betrachterfenstern für jedes Auge das entsprechende Hologramm zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene freigegeben. Beide Hologramme unterscheiden sich durch eine horizontale Parallaxe entsprechend des Augenabstands des Betrachters. Die beiden holografisch codierten Spaltengruppen sind zwei holografische Rekonstruktionen ein und derselben Szene.

Da die fokussierenden Mittel und die Pixelanordnung mit minimalem Abstand zueinander anzuordnen sind, ist deren Reihenfolge variierbar. Auch die Bildtrennmittel können mit ihren Trennelementen im Strahlengang an verschiedenen Orten angeordnet sein.

Die optisch fokussierenden Mittel sind vorteilhaft eine vertikal fokussierende Zylinderlinse, eine entsprechende Fresnellinse oder ein Lentikular.

Heutige transmissive Flachdisplays (LCD) lassen sich für großflächige Rekonstruktionen einsetzen. Zur Phasenkodierung kann man die Detour-Phasen-Kodierung verwenden. Die Pixelanordnung entspricht der eines hochauflösenden transmissiven Flachdisplays. Wenn zum Einstellen der Phasenbeziehung die Detour-Phasen-Codierung oder eine ähnliche Methode mit Amplitudenmodulation des Lichtes benutzt wird, müssen die zur Phaseneinstellung benötigten Pixel senkrecht untereinander liegen, da das Licht horizontal nicht interferenzfähig ist. Die üblichen Flachdisplays Pixelanordnungen von mit nebeneinander liegenden Sub-Pixeln werden deshalb um 90° gedreht. Besonders vorteilhaft können zur Lichtmodulation Pixelanordnungen eingesetzt werden, deren Pixel sowohl die Amplitude als auch die Phase des Lichtes direkt modulieren, wie die auf Freedericksz-Zellen basierenden Lichtmodulatoren.

Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung können auch mehrere benachbarte Pixelspalten zu einer gemeinsamen Mehrfach-Pixelspalte zusammengefasst werden. Jede Mehrfach-Pixelspalte gehört dann zu einem der beiden Hologramme und wird als Ganzes durch die Bildtrennmittel für das entsprechende Auge sichtbar gemacht. In diesem Fall werden anstelle der einfachen Pixelspalten die Mehrfach-Pixelspalten beider Hologramme alternierend verschachtelt.

Das Kodieren der Hologramme in Mehrfach-Pixelspalten verringert das Übersprechen. Wenn sich der Betrachter horizontal bewegt, können bis zum vollständigen Nachführen der Betrachterfenster Bildfehler wirksam unterdrückt werden.

Vorteilhaft modulieren die Pixelspalten einer Mehrfach-Pixelspalte das Licht verschieden. Beispielsweise ist von zwei oder mehr benachbarten Pixelspalten jeder Mehrfach-Pixelspalten jeweils nur eine Pixelspalte zum Modulieren des Lichts aktiv, während die übrige und ggf. auch die nächste inaktiv sind. Dass heißt, diese sind schwarz getastet.

Der Bewegungsspielraum ohne Übersprechen aus dem Hologramm für das andere Auge vergrößert sich entsprechend.

Damit entsteht zwischen beiden Betrachterfenstern eine gewünschte Zone, in der keine Rekonstruktion sichtbar ist. Ohne diese Maßnahme würde ein Betrachter bis zum Nachführen der Betrachterfenster in dieser Zone eine fehlerhafte Reproduktion wahrnehmen. Das Nachführen der Betrachterfenster in horizontaler Richtung kann nun beschleunigt werden, in dem das Positionserfassungssystem bei einer horizontalen Kopfbewegung innerhalb der Mehrfach-Pixelspalten verschiedene Pixelspalten aktiviert und deaktiviert.

Die Bildtrennmittel können beispielsweise eine Barrieremaske, eine funktionsgemäß gestaltetes Lentikular oder eine Prismenmaske sein. Die Bildtrennelemente haben in vorteilhafter Ausgestaltung einen etwa doppelt so großen Pitch wie die zugehörigen Spaltengruppen der Pixelanordnung.

Zum fehlerfreien Betrachten der holografischen Rekonstruktion ist eine Betrachterfenstergröße erforderlich, welche mindestens der Größe der Augenpupille entspricht. Dieses würde jedoch eine sehr hohe Anforderung an die Genauigkeit und Schnelligkeit der Nachführung stellen, die praktisch nicht realisierbar wäre, so dass die Betrachterfenster in der Praxis größer sein müssen. Die Höhe des Betrachterfensters kann aber die Ausdehnung des Periodizitätsintervalls nicht überschreiten. Ebenso ist es erforderlich, die Betrachtungsfenster in ihrer Breite einzustellen. Dieses erfolgt ausgehend der Breite der Pixelspalten durch Abstimmen mit den Dimensionen der Bildtrennmittel insbesondere dem Abstand und der Breite der Trennelemente.

Beide Betrachterfenster sind mit ihren Mittelpunkten etwa im Augenabstand angeordnet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass anstelle eines Zeit-Multiplex-Betriebes des Displays mit seiner doppelten Bildfrequenz ein Raum-Multiplex-Betrieb realisiert wird. Dabei werden gleichzeitig zwei räumlich verschachtelte holografische Rekonstruktionen einer dreidimensionalen Szene mit einer einzigen Pixelanordnung kodiert, welche ein Betrachter infolge einer Bildtrennung separat sieht. Dieses ermöglicht ein Halbieren der Bildfolgefrequenz.

Außerdem vermindert die Verwendung von eindimensionalen, vertikal rekonstruierenden Hologrammen in Kombination mit dem Abbilden der Szene mit inkohärentem Licht in horizontaler Richtung deutlich den Rechenaufwand zum Bereitstellen der Daten für die Kodierung. Auch die Anforderungen an die Auflösung der Pixelanordnung in horizontaler Richtung sind unkritisch, so dass sich bei geringem Aufwand großformatige Videohologramme über einen großen Bereich der sich ändernden Augenposition des Betrachters rekonstruieren lassen.

Die verwendete linienförmige Lichtquelle ermöglicht gegenüber punktförmigen Lichtquellen eine kontinuierliche Rekonstruktion bei lateraler Betrachterbewegung.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum Erzeugen des kohärenten Lichts anstelle eines Lasers beispielsweise eine konventionelle weiße Lichtquelle mit einer Schlitzmaske verwendet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung werden im Folgenden in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Dabei wird das Prinzip der Erfindung an Hand einer holografischen Rekonstruktion mit monochromatischem Licht erläutert. Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch für farbliche holografische Rekonstruktion anwendbar. In einem solchen Fall würden die steuerbaren Pixel jeder Pixelspalte die zur Farbdarstellung benötigten Grundfarben im Raum oder Zeitmultiplex darstellen.

Die Zeichnungen zeigen
1 eine Rekonstruktion einer 3D-Szene mit zwei Strahlenbündeln zwischen einer Betrachterebene und Bildtrennmitteln, Draufsicht
2 einen Ausschnitt aus der Einrichtung gemäß der Erfindung in einer räumlichen Darstellung
3 einen Ausschnitt aus der Einrichtung gemäß der Erfindung in Draufsicht
4 eine für den Betrachter sichtbare Rekonstruktion der Szene in Draufsicht.
Im ausgeführten Beispiel wird die Information über eine dreidimensionale Szene in transmissive Pixelanordnungen mit matrixförmig angeordneten Pixeln kodiert, die entsprechend der Kodierung gesteuert werden, beispielsweise nach dem Detour-Phasen-Verfahren. Bezüglich der Ausführung der Pixelanordnung ist die Ausführung des Grundgedankens der Erfindung jedoch nicht auf die beschriebene Pixelanordnung begrenzt. Es können sowohl transflektive als auch reflektive Pixelanordnungen angewendet werden und/oder auch solche, welche die Phase der Lichtwellen direkt modulieren, wie beispielsweise die Freedericksz-Zellen.
1 zeigt ein fokussierendes Mittel 2 in Form einer horizontal angeordneten Zylinderlinse, die eine linienförmige Lichtquelle 1 in eine Betrachterebene 5 abbildet. Wenn nach dem Detour-Phasen-Verfahren kodiert wird, dient zur holografischen Rekonstruktion eine höhere Beugungsordnung in einem Periodizitätsintervall.
Erfindungsgemäß wird eine horizontal angeordnete linienförminge Lichtquelle 1 eingesetzt, die infolge ihrer linearen Ausdehnung in vertikaler Richtung räumlich kohärentes und in horizontaler Richtung inkohärentes Licht erzeugt. Dieses durchsetzt transmissive Pixel einer matrixförmigen, steuerbaren Pixelanordnung 3. Dabei rekonstruieren die holografisch codierten und spaltenweise angeordneten Videohologramme nur in vertikaler Richtung, so dass in der Betrachterebene durch ein Betrachterfenster hindurch die Rekonstruktion der Hologramme in einer Beugungsordnung betrachtet werden kann. In horizontaler Richtung erfolgt wegen der Inkohärenz des Lichtes nur eine Projektion der Lichtquelle 1 durch die Bildtrennmittel. 1 zeigt die Bildtrennmittel 7 und ein Strahlenbündel 9 für das rechte Auge R und ein Strahlenbündel 10 für das linke Auge L.
2 zeigt die Einrichtung gemäß der Erfindung in einer räumlichen Darstellung und 3 einen Ausschnitt in Draufsicht. Die Rekonstruktionen der dreidimensionalen Szene entstehen jeweils in einem Pyramidenstumpf 12_r , 12_l zwischen den Rändern der Pixelanordnung 3 und den Betrachtertenstern 8r, 8l. Die holografische Rekonstruktion 11 der Szene kann vor, auf oder hinter der Pixelanordnung 3 liegen. In steuerbaren Pixeln der Pixelanordnung 3 sind eindimensionale Videohologramme in Pixelspalten 15, 15', bis 16'' so kodiert, dass die Spaltengruppe 15, 15' 15'' für das rechte Auge R des Betrachters und die Spaltengruppe 16, 16', 16'' für das linke Auge L je ein eindimensionales Hologramm dieselbe Szene rekonstruiert, wobei im dargestellten Beispiel beide Spaltengruppen in horizontaler Richtung alternierend verschachtelt sind. Die Verschachtelung der Pixelspalten 15 bis 16'' erfolgt derart, dass Bildtrennmittel 7, welche im Strahlengang des Lichtes liegen, mit parallel zu den Pixelspalten 15 bis 16'' angeordneten Trennelementen 17, 18, 19 die jeweilige Spaltengruppe 15, 15', 15'' oder 16, 16', 16'' für das entsprechende Auge des Betrachters freigeben und für das jeweils andere Auge verdecken.
Zum Trennen der räumlich verschachtelten Hologramme dient beispielsweise eine Barrieremaske mit vertikalen, abwechselnd transparenten bzw. nichttransparenten Streifen 17, 18, 19, welche vor oder hinter der Pixelanordnung 3 angeordnet ist. Die transparenten Streifen geben die erste Spaltengruppe 15, 15', 15'' für das rechte Auge R frei. Gleichzeitig ist diese von den nichttransparenten Streifen für das linke Auge L₁ verdeckt. Den Blick des Betrachters von den nachgeführten, virtuellen Betrachterfenstern 8r, 8l in der Betrachterebene 5 zu den entsprechenden Pixelspalten 15 und 16 zeigen in 2 die Pfeile 20 und 21 am Beispiel einer einzelnen Spalte 15, 16 jeder Spaltengruppe. In Wirklichkeit sind jeweils mehrere Hundert Pixelspalten bzw. Pixelspalten-Gruppen am Aufbau der verschachtelten holografischen Rekonstruktionen der dreidimensionalen Szene 11 beteiligt. Ebenso viele Bildtrennelemente müssen die Bildtrennmittel enthalten.
Der Abstand der Maske der Bildtrennmittel 7 von der Pixelanordnung 3 (4) und der Streifenabstand der vorzugsweise einheitlich breiten Streifen sind so gewählt, dass für den Betrachter nur die für das jeweilige Auge bestimmten Videohologramme freigegeben werden.
Ein nicht dargestelltes Positionserfassungssystem kann die Position der Betrachterfenster nachführen.
Das Nachführen bei horizontaler Änderung der Augenposition kann durch ein Verschieben der Trennelemente der Bildtrennmittel 7 erzielt werden. Dieses kann elektronisch erfolgen, wenn dafür beispielsweise eine weitere transmissive Pixelanordnung mit ebenfalls steuerbaren Öffnungen eingesetzt wird.
Stattdessen kann auch ein horizontales Verschieben der Spaltengruppen (15 ... 16') gegenüber den Bildtrennmitteln (7) die Betrachterfenster (8r, 8l) nachführen. Dieses kann vorteilhaft mit Hilfe der genannten Mehrfach-Pixelspalten elektronisch durchgeführt werden. Wenn immer jeweils nur eine Pixelspalte der Mehrfach-Pixelspalten zum Modulieren des Lichts aktiv ist, kann das horizontale Nachführen durch Umschalten auf eine andere Pixelspalte innerhalb einer Mehrfach-Pixelspalte unterstützt werden.
Beide horizontalen Verschiebungen können auch gleichzeitig ausgeführt werden. In vertikaler Richtung kann ein Nachführen durch vertikales Verschieben der linienförmigen Lichtquelle 1 vorgenommen werden. Eine axiale Positionsänderung lässt sich durch Ändern des Abstandes von Lichtquelle 1 und der Zylinderlinse 2 kompensieren.
Außerdem werden bei einer Bewegung des Betrachters nicht nur die Betrachterfenster nachgeführt. Es können auch die Inhalte der Hologramme entsprechend der Änderung der Perspektive neu berechnet und kodiert werden.
Die Besonderheit der Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, dass für jedes Auge R, L des Betrachters gleichzeitig ein entsprechendes Videohologramm berechnet, kodiert und rekonstruiert wird und diese mit einer einzigen Pixelanordnung 3 räumlich verschachtelt werden, so dass separate holografische Rekonstruktionen mit den Bildtrennmitteln 7 für die beiden Augen in jedem Betrachterfenster 8r, 8l getrennt sichtbar gemacht werden können.
Beide Videohologramme weisen in Bezug zueinander eine horizontale Parallaxe auf, die dem Augenabstand entspricht. Somit ist der komplette räumliche Seheindruck gewährleistet.
Die parallele holografische Rekonstruktion der Szene für beide Augen des Betrachters gewährleistet ein natürliches Sehen, so dass mit der richtigen Fokussierung auch die Akkomodation sowie die Konvergenz der Augen des Betrachters auf beliebige Szenepunkte gegeben sind.
Die Ausdehnung des Betrachterfensters liegt in vertikaler Richtung innerhalb einer Beugungsordnung und sollte nicht größer als das Periodizitätsintervall in der Rekonstruktion der Videohologramme sein. Andernfalls sieht der Betrachter eine Überlagerung der Rekonstruktion aus zwei benachbarten Beugungsordnungen. Die Größe der Fenster ist weiterhin an die Genauigkeit der Positionierung und die Geschwindigkeit der Nachführung anzupassen.
Durch eine gezielte Einschränkung des Betrachterfensters bei der Kodierung, entsprechend der aus dem Dokument WO 2003/021363 (A1) bekannten Lösung, beispielsweise auf 10 mm in vertikaler Richtung, verringern sich die benötigte Displayauflösung sowie die zu bearbeitende und ggf. zu transferierende Datenmenge um mindestens um den Faktor 100.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Verwendung von derzeit verfügbaren steuerbaren Matrizen zur Hologrammdarstellung, z.B. in Form von LC-Flachdisplays, überhaupt erst möglich.
Bei einer Farb-Codierung rekonstruieren jeweils die alternierend angeordneten RGB-Sub-Pixel der drei Grundfarben drei jeweils einzelne Teilhologramme einer Grundfarbe, die sich zu einer gesamten farbigen Rekonstruktion zusammensetzen.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung mit allen überlagerten Strahlenbündeln 13 für das rechte Auge und Strahlenbündeln 14 für das linke Auge.
Die Erfindung ist sowohl für den Unterhaltungsbereich wie für Fernseh-, Multimedia-, Spielanwendungen und Mobilfonterminals als auch für kommerzielle Anwendungen wie räumliches Konstruktionsdesign, in der Medizin- und Militärtechnik, und viele andere komfortable Displaytechnik geeignet.

Claims

Verfahren zum Kodieren und Rekonstruieren von Videohologrammen, bei dem optisch fokussierende Mittel hinreichend kohärentes Licht einer linienförmigen Lichtquelle nach einer Modulation durch matrixförmig angeordnete, elektronisch steuerbare Pixel in eine Betrachterebene mit Betrachterfenstern abbilden, um durch Beugung an den Pixeln holografisch eine dreidimensionale Szene innerhalb einer Beugungsordnung zu rekonstruieren und diese für beide Augen eines Betrachters von den Betrachterfenstern aus sichtbar zu machen, dadurch gekennzeichnet, – dass die linienförmige Lichtquelle (1) vertikal hinreichend kohärentes Licht ausstrahlt und von den in vertikaler Richtung fokussierenden Mitteln (2) für die betrachtete Beugungsordnung in der Betrachterebene (5) abgebildet wird – dass steuerbare Pixel innerhalb von Pixelspalten (15 ... 16'') für beide Betrachteraugen (R, L) jeweils ein separates, in vertikaler Richtung eindimensionales Hologramm derselben Szene kodieren, wobei die Pixel so in separate Spaltengruppen (15, 15', 15'' oder 16, 16', 16'') angeordnet werden, dass sie beide eindimensionalen Hologramme horizontal verschachteln, und – dass Bildtrennmittel (7) mit parallel zu den Pixelspalten (15 ... 16'') angeordneten Trennelementen die jeweilige Spaltengruppe (15, 15', 15'' oder 16, 16', 16'') für das entsprechende Betrachterauge freigeben und für das jeweils andere Auge verdecken.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hologramme für beide Augen (R, L) des Betrachters eine horizontale Parallaxe entsprechend dem Augenabstand kodieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem lokale Änderungen der Augenposition im Raum durch ein Positionserfassungssystem erfasst werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, bei dem die holografische Kodierung der Pixel in den Pixelspalten (15 ... 16'') bei einer Änderung der Augenposition entsprechend aktualisiert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, bei dem bei Änderung der Augenposition die rekonstruierte Szene (11) so kodiert wird, dass diese in ihrer horizontalen und/oder vertikalen und/oder axialen Position für den Betrachter ortsfest sichtbar wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, bei dem die rekonstruierte Szene (11) so kodiert wird, dass diese in Abhängigkeit von der Änderung der Augenposition des Betrachters in ihrer horizontalen, vertikalen und axialen Position horizontal und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, bei dem bei vertikaler Änderung der Augenposition ein vertikales Verschieben der linienförmigen Lichtquelle (1) die Betrachterfenster (8r, 8l) nachführt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, bei dem bei horizontaler Änderung der Augenposition ein horizontales Verschieben der Spaltengruppen (15 ... 16'') gegenüber den Bildtrennmitteln (7) die Betrachterfenster (8r, 8l) nachführt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, bei dem bei horizontaler Änderung der Augenposition ein horizontales Verschieben der Trennelemente der Bildtrennmittel (7) gegenüber den Pixelspalten (15 ... 16'') die Betrachterfenster (8r, 8l) nachführt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, bei dem bei einer Änderung der Augenposition in Lichtrichtung der Abstand von der Lichtquelle (1) und den optisch fokussierenden Mitteln (2) positionsabhängig angepasst wird.
Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend – eine linienförmige, in einer Richtung hinreichend kohärent strahlende Lichtquelle – und optisch fokussierende Mittel, um nach einer Modulation des Lichts der Lichtquelle durch matrixförmig angeordnete, steuerbare Pixel in pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsräumen mit Betrachterfenstern eine Szene holografisch zu rekonstruieren dadurch gekennzeichnet, – dass die linienförmige Lichtquelle (1) horizontal angeordnet ist, so dass ihr Licht in vertikaler Richtung hinreichend kohärent ist, – dass die steuerbaren Pixel innerhalb von Pixelspalten (15 ... 16'') mit je einer Spaltengruppe (15, 15' und 16, 16') für jedes Auge (R, L) eines Betrachters als eindimensionale, vertikal kodierte Hologramme von derselben Szene kodiert sind, wobei beide Spaltengruppen (15, 15' und 16, 16') in horizontaler Richtung verschachtelt sind und – dass Bildtrennmittel (7) mit parallel zu den Pixelspalten (15 ... 16'') angeordneten Trennelementen vorhanden sind, welche die jeweilige Spaltengruppe (15, 15' oder 16, 16') für das entsprechende Auge des Betrachters freigeben und für das jeweils andere Auge verdecken.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der zum Verringern des Übersprechens zwischen den Rekonstruktionen der Hologramme und/oder Einstellen der Betrachterfenster jeweils mehrere benachbarte Pixelspalten immer eine gemeinsame Mehrfach-Pixelspalte bilden, wobei jede Mehrfach-Pixelspalte als ganzes mit den Bildtrennmitteln (7) für das entsprechende Auge selektierbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 12, bei der die Pixelspalten einer Mehrfach-Pixelspalte das Licht verschieden modulieren.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die Pixel transmissiv und/oder reflektiv ausgeführt sind und das kohärente Licht in seiner Amplitude und/oder in seiner optischen Phase modulieren.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die optisch fokussierenden Mittel (2) eine vertikal fokussierende Zylinderlinse, ein Lentikular oder eine entsprechende Fresnellinse sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die Bildtrennmittel (7) eine Barrieremaske, ein Lentikular oder eine Prismenmaske sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die Bildtrennmittel (7) eine Barrieremaske sind mit transparenten Streifen, welche die jeweilige Spaltengruppe für das entsprechende Auge des Betrachters freigeben und nichttransparenten Streifen, welche die jeweils andere Spaltengruppe für dieses Auge verdecken.
Einrichtung nach Anspruch 16, bei der der Pitch der Trennelemente der Barrieremaske (7), der Prismenmaske bzw. des Lentikulars in etwa dem doppelten horizontalen Pitch der zugehörigen Spaltengruppe der steuerbaren Pixelanordnung entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die steuerbaren Pixel so angeordnet sind, dass für eine Detour-Phasen-Kodierung die Subpixel zur Farbdarstellung beziehungsweise Pixel senkrecht untereinander liegen.
Einrichtung nach Anspruch 12, bei der die Ausdehnung der Betrachterfenster (8r, 8l) mindestens die Größe einer Pupille hat, in horizontaler Richtung für jedes Auge durch die Breite der Trennelemente der Bildtrennmittel (7) gegeben ist und bei der beide Fenster (8r, 8l) mit ihren Mittelpunkten etwa im Augenabstand angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 12, bei der die vertikale Ausdehnung der Betrachterfenster (8r, 8l) für beide Augen (R, L) maximal die Ausdehnung des Periodizitätsintervalls einer Beugungsordnung (6) und mindestens die Größe einer Pupille hat.