-
Die
Erfindung betrifft eine Wiedergabevorrichtung und ein Verfahren
für eine
Wiedergabeeinrichtung zum Nachführen
wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene,
in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet.
-
Anwendungsgebiete
der Erfindung sind Wiedergabeeinrichtungen zur Darstellung von dreidimensionalen
Objekten für
einen oder mehrere Betrachter, insbesondere holographische Wiedergabeeinrichtungen.
Die Erfindung kann aber auch in autostereoskopischen Wiedergabeeinrichtungen
verwendet werden.
-
Aus
den Veröffentlichungen
WO 2006/027228 A1 und
DE 103 53 439 A1 sind
Direktsichtgeräte
bekannt, mit welchen holographische Rekonstruktionen von dreidimensionalen
Objekten bzw. Szenen generiert werden können.
-
Aus
der
DE 103 59 403
A1 ist ein autostereoskopisches Direktsichtgerät bekannt,
welches ausgerichtet ist, mehreren Betrachtern stereoskopische Bildinhalte
anzuzeigen.
-
Aus
dem Stand der Technik sind holographische Wiedergabeeinrichtungen
mit Lichtmodulationseinrichtungen bekannt, wobei die Fourier-Transformierte
eines Hologramms auf der Augenpupille eines Betrachters abgebildet
wird. Die Austrittspupille von diesen Wiedergabeeinrichtungen liegt
dann auf der Augenpupille des Auges und wird als Betrachterfenster
bezeichnet. Ein letztes, in Lichtrichtung angeordnetes, optisches
Element in der Wiedergabeeinrichtung vor dem Betrachter ist ein
als Bildschirm bezeichnetes optisches Element. Dabei wird vorausgesetzt,
dass der Bildschirm ein fokussierendes optisches Element ist.
-
Fällt das
Betrachterfenster mit der Augenpupille zusammen, dann kann der Betrachter
bei einer holographischen Wiedergabeeinrichtung eine rekonstruierte
Szene eines Objektes in einem Rekonstruktionsraum, welcher von dem
Betrachterfenster und dem Bildschirm aufgespannt wird, beobachten.
Bewegt sich jedoch der Betrachter seitlich zur bzw. entlang einer
optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, so fällt das Betrachterfenster nicht
mehr mit der Augenpupille des Betrachters zusammen. Dadurch wird
die rekonstruierte Szene vignettiert und ist somit nur noch begrenzt
oder gar nicht mehr sichtbar.
-
Um
eine derartige Vignettierung der rekonstruierten Szene bei einer
lateralen Bewegung des Betrachters zu verhindern, ist bereits bekannt,
Positionserfassungssysteme vorzusehen, mittels welcher die Position
der Augen eines Betrachters erfasst wird. Über eine Nachführeinheit
wird dann das Betrachterfenster dem Auge des Betrachters bei Bewegung
des Betrachters an eine andere Position nachgeführt. Eine Nachführung des
Betrachterfensters erfolgt dann lateral in der Betrachterebene.
Hierzu sind bereits mehrere Möglichkeiten
aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Nachführung des Betrachterfensters
entlang der optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, also auf
den Bildschirm zu oder von ihm weg, erfordert jedoch eine andere
Vorgehensweise als eine laterale Nachführung. Dabei muss gewährleistet
sein, dass das Betrachterfenster entlang der optischen Achse bewegbar
ist, da ansonsten eine Vignettierung der rekonstruierten Szene zustande kommt.
Außerdem
muss das Bild der Lichtmodulationseinrichtung, egal in welcher Entfernung
sich der Betrachter zu einem Bildschirm befindet, immer unverändert bzw.
in gleicher Weise auf dem Bildschirm abgebildet werden. Das bedeutet,
dass das Bild der Lichtmodulationseinrichtung, welches beispielsweise für eine Position
a des Betrachters auf dem Bildschirm lokalisiert ist, auch für eine Position
b des Betrachters unverändert
auf dem Bildschirm sein muss.
-
Eine
Möglichkeit
der Nachführung
beschreibt der Patent Abstracts of Japan
JP 09-68674 AA mit den
zugehörigen
Figuren. Es wird ein electro-holographisches Display zur Darstellung
einer dreidimensionalen Szene mittels zweier räumlicher Lichtmodulatoren offenbart,
welches ein kippbares Spiegelelement zur Projektion des Lichts von
den Lichtmodulatoren auf die Augen des Betrachters aufweist. Jeder Lichtmodulator
mit dem entsprechenden Hologramm ist für ein Auge eines Betrachters
bestimmt. Die dreidimensionale Szene entsteht im Bereich bzw. auf dem
rotierenden Spiegelelement. Bei Bewegung des Betrachters wird diese
Bewegung mit einem Positionserfassungssystem erfasst, und das kippbare Spiegelelement
wird entsprechend der neuen Augenposition des Betrachters um seine
horizontale oder vertikale Achse gedreht. Gleichzeitig wird die Ansicht
der dreidimensionalen Szene entsprechend der neuen Position des
Betrachters auf den Hologrammen dargestellt. Des Weiteren ist neben
einer lateralen Nachführung
des Lichts auch eine Nachführung
entlang einer optischen Achse des Displays in den Figuren offenbart.
Hier erfolgt die Nachführung des
Lichts entsprechend einer neuen Position der Augen des Betrachters
auf die dreidimensionale Szene zu oder von ihr weg. Eine derartige
Nachführung wird
durch Veränderung
eines lateralen Abstandes der beiden Lichtmodulatoren zueinander
gewährleistet.
Dadurch wird erreicht, dass das für das jeweilige Auge vorgesehene
Licht auch auf das Auge fällt.
Entsprechend dem Ort eines Auges des Betrachters, wobei die neue
Position des Auges mittels des Positionserfassungssystems ermittelt
wird, werden die Lichtmodulatoren lateral zueinander verschoben,
wodurch eine Nachführung
des Licht entlang der optischen Achse erfolgen kann und somit immer
für die Augen
des Betrachters die rekonstruierte Szene sichtbar ist.
-
Es
besteht jedoch bei dieser Art der Nachführung nicht das Problem der
Vignettierung, da die rekonstruierte Szene sehr klein ist. Bei größerer rekonstruierter
Szene, wie in der vorliegenden Erfindung vorgesehen, kann ein derartiges
Verfahren nicht angewandt werden. Außerdem wird in der
JP 09068674 A kein
Betrachterfenster gebildet, welches nachgeführt wird, sondern der gesamte
Sichtbarkeitsbereich wird nachgeführt. Die Pupille des Systems
liegt ferner nicht auf der Augenpupille, sondern zwischen dem Auge
und der rekonstruierten Szene.
-
Deshalb
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wiedergabevorrichtung und ein
Verfahren zum Nachführen
eines virtuellen Betrachterfensters in einer Wiedergabeeinrichtung
zur dreidimensionalen Darstellung bei Bewegung eines Betrachters
an eine andere Position, insbesondere entlang einer optischen Achse
der Wiedergabeeinrichtung, zu schaffen, mittels welcher ein einfaches
Nachführen
des Betrachterfensters ohne erhöhten
Aufwand ermöglicht
wird.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und
7 gelöst.
-
Die
erfindungsgemäße Wiedergabevorrichtung
für eine
zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung gemäß Anspruch 1 umfasst wenigstens
eine Lichtquelle, wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung, einen
Bildschirm und eine Vorrichtung zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters
einer Betrachterebene, in welcher sich wenigstens ein Betrachter
befindet. Diese Vorrichtung umfasst ein Positionserfassungssystem
zur Bestimmung von Augenpositionen des wenigstens einen Betrachters
in der Betrachterebene, eine Nachführeinheit und eine Steuereinrichtung
zur Aktivierung und Steuerung der Nachführeinheit. Die Vorrichtung
ist zwischen der Lichtmodulationseinrichtung und dem Bildschirm
angeordnet. Zum Nachführen
des Betrachterfensters entlang einer optischen Achse der Wiedergabevorrichtung
ist eine bildseitige Brennweite eines optischen Systems der Nachführeinheit
konstant.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
7 dient zum Nachführen
wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene, in
welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet, bei einer Positionsänderung
des Betrachters. Das Verfahren wird mit einer Wiedergabevorrichtung
gemäß einem
der Ansprüche
1 bis 6 ausgeführt
und weist die folgenden Schritte auf:
- – Erfassen
von Augenpositionen des wenigstens einen Betrachters in der Betrachterebene
mit einem Positionserfassungssystem,
- – Übermitteln
der ermittelten Werte an eine Steuereinrichtung,
- – Aktivieren
einer Nachführeinheit
mittels der Steuereinrichtung,
- – Nachführen des
wenigstens einen virtuellen Betrachterfensters entlang einer optischen
Achse einer Wiedergabeeinrichtung mittels der Nachführeinheit,
so dass eine bildseitige Brennweite eines optischen Systems der
Nachführeinheit
unverändert
bleibt.
-
Bei
einem Verfahren für
eine Wiedergabeeinrichtung, insbesondere für eine holographische Wiedergabeeinrichtung,
zum Nachführen
wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters könnte wie folgt vorgegangen
werden, wobei sich in einer Betrachterebene wenigstens ein Betrachter
befindet. Bei einer Positionsänderung
des Betrachters bestimmt ein Positionserfassungssystem Augenpositionen
des Betrachters in der Betrachterebene, wobei ermittelte Werte der
neuen Position der Augen des Betrachters einer Steuereinrichtung
zugeführt
werden. Die Steuereinrichtung aktiviert daraufhin eine Nachführeinheit in
der Wiedergabeeinrichtung. Die Nachführeinheit ist dabei in Lichtrichtung
vor einem als Bildschirm dienenden optischen Element angeordnet.
Nach Bestimmung der neuen Position der Augen des Betrachters führt die
Nachführeinheit
durch Ansteuerung durch die Steuereinrichtung das wenigstens eine
virtuelle Betrachterfenster entlang einer optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung
den Augen des Betrachters nach. Die Nachführung des Betrachterfensters
erfolgt in der Art, dass eine bildseitige Hauptebene eines optischen
Systems der Nachführeinheit
und eine bildseitige Brennweite des optischen Systems der Nachführeinheit
unverändert bzw.
konstant bleiben.
-
Die
Nachführung
erfolgt hier erfindungsgemäß entlang
der optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, wobei sich selbstverständlich dadurch auch
die Betrachterebene entlang der optischen Achse verschiebt. Eine
laterale Nachführung
des Betrachterfensters soll mit dieser Erfindung nicht bezweckt
werden. Selbstverständlich
ist es aber möglich,
neben der axialen Nachführung
auch eine laterale Nachführung
in der Wiedergabeeinrichtung vorzunehmen. Laterale Nachführungen
des Betrachterfensters sind aus dem Stand der Technik bekannt. Deshalb
soll hier nicht auf eine laterale Nachführung des Betrachterfensters
eingegangen werden.
-
Das
Verfahren ist deshalb von sehr großem Vorteil, da dadurch eine
Vignettierung der dreidimensionalen Darstellung, insbesondere einer
rekonstruierten Szene, durch das Betrachterfenster vermieden wird
und somit der Betrachter auch bei Bewegung auf die dreidimensionale
Darstellung zu oder weg von dieser diese ohne Einschränkungen
vollkommen beobachten kann, da die Austrittspupille des Gesamtsystems
immer auf der Augenpupille liegt. Außerdem wird dadurch die dreidimensionale
Darstellung in jeder Position, in welcher sich der Betrachter in
Lichtrichtung nach dem Bildschirm befindet, unverändert gesehen.
Bei Bewegung des Betrachters kann dieser die dreidimensionale Darstellung
wie in der Realität beobachten.
Auf diese Weise kann entspannt mit normaler Beanspruchung der Augen
und des Gehirns die dreidimensionale Darstellung realitätsgetreu
beobachtet werden.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn zur Nachführung des Betrachterfensters
Eigenschaften der Nachführeinheit
derart geändert
werden, dass eine objektseitige Hauptebene des optischen Systems
der Nachführeinheit
sich entlang der optischen Achse verschiebt. Dies kann dadurch bewirkt
werden, dass die Brennweite von optischen Elementen in der Nachführeinheit
oder auch der Abstand der optischen Elemente zueinander geändert wird.
Es ist aber ebenso möglich,
dass zur Nachführung
des Betrachterfensters wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung
in Verbindung mit einem optischen Element in der Wiedergabeeinrichtung
entlang der optischen Achse verschoben wird.
-
Werden
Elemente vor der Nachführeinheit bzw.
die objektseitige Hauptebene des Gesamtsystems Nachführeinheit
entlang der optischen Achse verschoben, dann wird besonders vorteilhaft
die Abbildung auf dem Bildschirm nicht gestört, da das Strahlenbündel in
Lichtrichtung vor der Nachführeinheit
kollimiert ist. Jedoch wird durch eine derartige Verschiebung die
Austrittspupille der Wiedergabeeinrichtung entsprechend der Augenposition
des Betrachters entlang der optischen Achse verschoben.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass ein Raumfrequenzfilter in einer Fourierebene der Wiedergabeeinrichtung
ein ausgewähltes
Periodizitätsintervall des
Fourierspektrums eines Hologramms durchlässt.
-
Bei
vorteilhafter Verwendung der Nachführeinheit in einer holographischen
Wiedergabeeinrichtung mit einer ein Hologramm aufweisenden Lichtmodulationseinrichtung
ist ein Raumfrequenzfilter, insbesondere eine Blende, von großer Bedeutung,
da ein- oder zweidimensionale Hologramme, die in Pixeln kodiert
sind, wobei die Pixel regulär
angeordnet sind, in der Fourierebene eine periodische Wiederholung
des Fourierspektrums erzeugen. Zur Unterdrückung oder Ausschaltung der
Periodizität kann
daher vorteilhafter Weise ein Raumfrequenzfilter in dieser Ebene
(Fourierebene) angeordnet sein, welcher nur die verwendete Beugungsordnung
passieren lässt.
-
Eine
Vorrichtung zum Nachführen
eines virtuellen Betrachterfensters könnte ein Positionserfassungssystem
zur Bestimmung von Augenpositionen des wenigstens einen Betrachters
in der Betrachterebene aufweisen. Des weiteren weist die Vorrichtung eine
Nachführeinheit
und eine Steuereinrichtung zur Aktivierung und Steuerung der Nachführeinheit
auf. Die Vorrichtung ist dabei in einer Wiedergabeeinrichtung, vorteilhafterweise
in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung, für eine dreidimensionale Darstellung
vor einem Bildschirm angeordnet. Eine bildseitige Hauptebene und
eine bildseitige Brennweite der Nachführeinheit sind bei der Nachführung des
Betrachterfensters entlang einer optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung
konstant.
-
Mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
es möglich,
das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
7 optimal durchzuführen.
Eine Nachführung
des Betrachterfensters für
wenigstens einen Betrachter entlang der optischen Achse, d. h. eine Nachführung des
Betrachterfensters auf den Bildschirm zu oder von ihm weg, ist mittels
der Vorrichtung ohne Vignettierung der dreidimensionalen Darstellung
erreichbar. Mittels der Vorrichtung ist ein einfaches Nachführen des
Betrachterfensters ohne erhöhtem
Aufwand mit geringen Mitteln erzielbar.
-
Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden
wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert. Dabei
wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Wiedergabeeinrichtung
mit monochromatischem kohärentem Licht
beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung kann auch für farbige
holographische Rekonstruktionen vorgesehen werden oder in anderen
Bereichen der Optik Anwendung finden.
-
Die
Figuren zeigen:
-
1 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Nachführen
eines Betrachterfensters in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung;
-
2 eine
prinzipmäßige Darstellung
der Wiedergabeeinrichtung gemäß 1 bei
einer Nachführung
des Betrachterfensters;
-
3 eine
Darstellung einer weiteren Möglichkeit
zur Nachführung
des Betrachterfensters;
-
4 eine
detaillierte Darstellung einer Nachführeinheit der Wiedergabeeinrichtung
gemäß 1;
-
5 eine
detaillierte Darstellung der Nachführeinheit der Wiedergabeeinrichtung
bei der Nachführung
des Betrachterfensters gemäß 2;
und
-
6 eine
detaillierte Darstellung der Nachführeinheit der Wiedergabeeinrichtung
bei der Nachführung
des Betrachterfensters gemäß 3.
-
Einige
Wiedergabeeinrichtungen, insbesondere holographische Wiedergabeeinrichtungen,
bilden die entstehende Fourier-Transformierte FT bei der Rekonstruktion
auf die Augenpupille eines Betrachters ab. Die Austrittspupille
von diesen Wiedergabeeinrichtungen liegt dann auf der Augenpupille des
Auges des Betrachters und wird als Betrachterfenster bezeichnet.
Zur Beobachtung einer rekonstruierten Szene ist es daher notwendig,
dass die Augenpupille mit dem virtuellen Betrachterfenster zusammenfällt. Ist
dies jedoch nicht der Fall, dann kommt es zur Vignettierung der
rekonstruierten Szene bei der Beobachtung. Dies ist jedoch nicht
erwünscht.
-
Aus
diesem Grunde ist es notwendig, das Betrachterfenster dem Auge des
Betrachters folgen zu lassen. Deshalb wird eine Vorrichtung zur
Nachführung
eines Betrachterfensters vorgeschlagen. Die Nachführung des
Betrachterfensters erfolgt dabei entlang einer optischen Achse 1 (axiale
Nachführung)
einer Wiedergabeeinrichtung. Die 1 wie auch
die nachfolgenden Figuren zeigen dabei nur einen Ausschnitt der
Wiedergabeeinrichtung, nämlich eine
Vorrichtung 2 zur Nachführung
des Betrachterfensters, welche eine Nachführeinheit 22 aufweist,
in Verbindung mit einem als Bildschirm dienenden optischen Element 3,
im nachfolgenden als Bildschirm bezeichnet. Die Nachführeinheit 22 weist
dabei wenigstens zwei optische Elemente, beispielsweise Linsen und/oder
Spiegel, vorteilhaft drei optische Elemente, auf, die jedoch in
diesem Ausführungsbeispiel
nicht dargestellt sind. Dargestellt sind lediglich die beiden Hauptebenen
H und H' des Gesamtsystems
Nachführeinheit 22.
Die Nachführeinheit 22 weist
eine objektseitige Brennweite f und eine bildseitige Brennweite
f' auf, wobei in
der bildseitigen Brennebene der Bildschirm 3 angeordnet
ist. In Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 ist in
der holographischen Wiedergabeeinrichtung wenigstens eine hier nicht
dargestellte Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen, welche ein
Hologramm aufweist. Die Lichtmodulationseinrichtung moduliert dabei
auftreffendes Licht, wobei danach über ebenfalls hier teilweise nicht
dargestellte optische Elemente eine Szene rekonstruiert wird. In
Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 wird
bei der Rekonstruktion der vorzugsweise dreidimensionalen Szene
ein Bild der Lichtmodulationseinrichtung erzeugt, wobei von diesem
dann ein Strahlenbündel
auf die Nachführeinheit 22 fällt, welches
kollimiert ist. Der Strahlengang 4 des kollimierten Strahlenbündels ist
hier gestrichelt dargestellt. Das Bild der Lichtmodulationseinrichtung
wird dann auf den Bildschirm 3 abgebildet. Bei der Rekonstruktion
entsteht gleichzeitig mit der Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung
eine Fourier-Transformierte FT. Die Fourier Transformierte wird
dabei ebenfalls mittels der optischen Elemente innerhalb der Wiedergabeeinrichtung
abgebildet. Die letzte der wiederholten Abbildungen der Fourier-Transformierten
FT erfolgt mittels des Bildschirms 3 in eine Betrachterebene 6,
wobei diese dort ein Betrachterfenster 7 bildet. Ein Strahlengang
betreffend die Fourier-Transformierte FT ist mit dem Bezugszeichen 5 und
mit durchgezogenen Linien dargestellt.
-
Die
Vorrichtung zum Nachführen
des Betrachterfensters 7 weist außerdem ein Positionserfassungssystem 8 zur
Bestimmung von Augenpositionen des Betrachters in der Betrachterebene 6 auf. Das
Positionserfassungssystem 8 ist mit der Nachführeinheit 22 kombiniert.
Die von dem Positionserfassungssystem ermittelten Werte für die Positionen der
Augen des Betrachters werden einer Steuereinrichtung 9 zugeführt, welche
die Nachführeinheit 22 aktiviert
bzw. ansteuert, damit eine Nachführung
des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 der
Wiedergabeeinrichtung bei Positionswechsel des Betrachters erfolgen
kann. Auf diese Weise verschiebt sich ebenfalls die Betrachterebene 6 entlang der
optischen Achse 1.
-
Eine
Möglichkeit
der Nachführung
des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 wird in 2 dargestellt.
Der erfindungsgemäße Gedanke
liegt dabei darin, die objektseitige Hauptebene H eines optischen
Systems bzw. des Gesamtsystems Nachführeinheit 22 axial
auf eine neue Position HN zu verschieben,
um das Betrachterfenster 7 je nach Position der Augen des
Betrachters entlang der optischen Achse 1 nachzuführen. Voraussetzung
hierfür ist
jedoch, dass das Strahlenbündel
entsprechend dem Strahlengang 4 in Lichtrichtung vor der
Nachführeinheit 22 kollimiert
ist bzw. das Bild der Lichtmodulationseinrichtung vor der Nachführeinheit 22 aus dem
Unendlichen kommt. Ist dies der Fall, dann beeinflusst eine Bewegung
der Hauptebene H entlang der optischen Achse 1 die Abbildung
der Lichtmodulationseinrichtung auf dem Bildschirm 3 nicht.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Hauptebene H' und die bildseitige Brennweite f' der Nachführeinheit 22 bei einer
Nachführung
des Betrachterfensters 7 konstant bzw. unverändert bleiben.
Der Vorteil einer Bewegung der Hauptebene H entlang der optischen
Achse 1 liegt darin, dass der Strahlengang 5 sich ändert, wie durch
den Strahlengang 5' nach
der Nachführung
erkennbar ist. Das bedeutet, dass die Abbildung der Fourier-Transformierten
FT bei einer Verschiebung der Hauptebene H beispielsweise entgegengesetzt der
Lichtrichtung nach links zu HN ebenfalls
nicht mehr am gleichen Ort abgebildet wird, sondern an einem anderen
Ort entlang der optischen Achse 1, wie deutlich in diesem
Ausführungsbeispiel
erkennbar ist. Der objektseitige Brennpunkt F verschiebt sich dementsprechend
nach links zu FN. Dadurch wird das Betrachterfenster 7 in
einer Betrachterebene 6' abgebildet
und somit dem Betrachter nachgeführt.
Ein neues Betrachterfenster 7' in der Betrachterebene 6' entsteht nun
nach der Nachführung
in Lichtrichtung hinter dem Betrachterfenster 7. Dementsprechend kann
auch die Hauptebene H entlang der optischen Achse 1 in
Lichtrichtung nach rechts verschoben werden, um das Betrachterfenster 7 zum
Bildschirm 3 hinzuführen.
-
Eine
axiale Verschiebung der Hauptebene H erfolgt durch Änderung
der Eigenschaften des optischen Systems der Nachführeinheit 22.
Beispielsweise können
die Abstände
der optischen Elemente in der Nachführeinheit 22 zueinander
geändert
werden. Es ist auch möglich,
die Brennweite bzw. die Brechkraft wenigstens eines optischen Elements
zu ändern,
beispielsweise durch Änderung
der Krümmung eines
als Spiegel ausgebildeten optischen Elements. Weiterhin können auch
Linsen mit steuerbarer Brennweite als optische Elemente dienen,
z. B. Flüssigkeitslinsen,
mittels derer eine Verschiebung der Hauptebene H erzielt wird.
-
Eine
Bestimmung der Augenposition des Betrachters erfolgt, wie oben erwähnt, mittels
des Positionserfassungssystems 8, wobei die Nachführeinheit 22 über die
Steuereinrichtung 9 das Betrachterfenster 7 nachführt.
-
In 3 ist
eine weitere Möglichkeit
der Nachführung
des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird nicht die Hauptebene H entlang der optischen Achse 1 der
Wiedergabeeinrichtung verschoben, sondern vor der Vorrichtung 2 angeordnete
Systemkomponenten, wie beispielsweise eine Lichtmodulationseinrichtung 11.
Die Lichtmodulationseinrichtung 11 wird dabei von einer
Lichtquelle 10 beleuchtet, wobei beide Systemkomponenten
in Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 angeordnet sind.
In einem Zwischenbereich der Wiedergabeeinrichtung, welcher durch
drei Punkte auf der optischen Achse 1 gekennzeichnet ist,
sind weitere optische Elemente angeordnet, welche zur Abbildung
und Rekonstruktion dienen. Sie sind aber für den Erfindungsgedanken unwesentlich,
weshalb auf eine Darstellung verzichtet wurde. Mittels der oben
erwähnten Vorgehensweise
kann ebenfalls eine Nachführung des
Betrachterfensters 7 erzielt werden. Wird die Lichtmodulationseinrichtung 11 verschoben,
bleiben die Hauptebenen H und H' sowie
die Brennweite f' bei der
Nachführung
konstant. Der Strahlengang 5 vor der Nachführung und
der Strahlengang 5' nach
der Nachführung
des Betrachterfensters 7 zu 7' treffen somit am gleichen Ort
der optischen Achse 1 die Hauptebene H der Nachführeinheit 22.
Durch eine Verschiebung von Komponenten vor der Nachführeinheit 22 wird
somit ebenfalls erreicht, dass sich die Abbildung der Fourier-Transformierten
FT entlang der optischen Achse 1 verschiebt (FT zu FT'). Die Lichtmodulationseinrichtung 11 wird
jedoch immer am gleichen Ort, nämlich
auf den Bildschirm 3, abgebildet, wie der gestrichelte
Strahlengang 4 zeigt.
-
Die
beiden oben erwähnten
Möglichkeiten der
axialen Nachführung
des Betrachterfensters 7 beschreiben eine Nachführung vorteilhaft
ohne Bewegung oder Vergrößerung der
Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 11 auf dem Bildschirm 3.
Wie aus den Figuren ersichtlich, ist die Größe des Betrachterfensters 7 proportional
zum Abstand zwischen dem Betrachterfenster 7 und dem Bildschirm 3 bzw.
hängt die
Größe des Betrachterfensters 7 vom Abstand
ab.
-
In 4 ist
die Nachführeinheit 22 in
detaillierter Form im Vergleich zu der 1 in der
Wiedergabeeinrichtung dargestellt. In diesem Ausschnitt der Wiedergabeeinrichtung
ist wiederum nur die Vorrichtung 2 in Verbindung mit der
Nachführeinheit 22,
der Bildschirm 3 und ein Bild 11' der hier nicht dargestellten Lichtmodulationseinrichtung 11 dargestellt.
Die Nachführeinheit 22 weist
in diesem Ausführungsbeispiel
drei optische Elemente 12, 13 und 14 auf,
welche beispielsweise als Linsen, Spiegel oder ähnliche Elemente ausgeführt sind.
Die optischen Elemente 12 und 13 bilden dabei
ein afokales System. In einer Brennweite f13' des optischen Elements 13 ist
das optische Element 14 angeordnet. Der Bildschirm 3 ist dabei
in der Brennweite f14' des optischen Elements 14 angeordnet.
In Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 ist
ein weiteres optisches Element 15 mit einer Brennweite
f15' angeordnet,
welches ebenfalls eine Linse, ein Spiegel oder ein ähnliches
Element sein kann. Die Wirkungsweise dieser Wiedergabeeinrichtung
ist dabei wie folgt. Die hier nicht dargestellte Lichtmodulationseinrichtung 11 wird
mit Licht der Lichtquelle 10 beleuchtet und moduliert dieses
entsprechend dem darin kodierten Hologramm einer zu rekonstruierenden
Szene. Durch weitere optische Elemente, welche hier nicht dargestellt
sind, wird die Lichtmodulationseinrichtung abgebildet, wodurch beispielsweise
ein derartiges Bild 11' der
Lichtmodulationseinrichtung vor dem optischen Element 15 entsteht.
Gleichzeitig entsteht in der Wiedergabeeinrichtung in Lichtrichtung
vor dem optischen Element 15 eine Fourier-Transformierte
FT (hier nicht dargestellt). Dann wird das Bild 11' der Lichtmodulationseinrichtung 11 mittels
des optischen Elements 15 ins Unendliche und mittels des
optischen Elements 12 in dessen bildseitige Brennebene
abgebildet. Die Fourier-Transformierte FT wird dabei mittels des
optischen Elements 15 in seine Brennebene abgebildet, wobei
die optischen Elemente 12 und 13 der Nachführeinheit 22 diese
danach in die bildseitige Brennebene des optischen Elements 13 abbilden.
In dieser Ebene ist in diesem Ausführungsbeispiel das optische
Element 14 angeordnet. Der Bildschirm 3, der gleichzeitig
als Abbildungsmittel dient, bildet nachfolgend die Fourier-Transformierte
FT in die Betrachterebene 6 ab. Die Fourier-Transformierte
FT bildet in der Betrachterebene 6 das Betrachterfenster 7, durch
welches der Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten kann.
Gleichzeitig zur Abbildung der Fourier-Transformierten FT wird das
Bild 11' der Lichtmodulationseinrichtung 11 mittels
der optischen Elemente 13 und 14 aus der Brennebene
des optischen Elements 12 auf den Bildschirm 3 abgebildet.
-
Die
Nachführung
des Betrachterfensters 7 ist im Detail in den folgenden 5 und 6 dargestellt.
-
5 zeigt
dabei eine detailliertere Darstellung der Nachführeinheit 22. Der
Aufbau der Wiedergabeeinrichtung in 5 entspricht
dabei dem Aufbau gemäß 4.
Jedoch wird in diesem Ausführungsbeispiel
die Nachführung
des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 gezeigt.
Die Nachführung
erfolgt, indem die optischen Elemente 12 und 13 der
Nachführeinheit 22 entlang
der optischen Achse 1, hier entgegengesetzt der Lichtrichtung,
verschoben werden. Die neue Position der optischen Elemente 12 und 13 ist
mit den Bezugszeichen 12' und 13' gekennzeichnet,
wobei die vorherige Position der optischen Elemente 12 und 13 gestrichelt
dargestellt ist. Auf diese Weise wird, wie unter der 2 beschrieben,
die Hauptebene H der Nachführeinheit 22 verschoben,
wobei die Brennweite f14' und somit die Hauptebene H' konstant bleiben.
In diesem Fall bedeutet das, dass das optische Element 14 nicht
verschoben werden darf, damit das Bild 11' der Lichtmodulationseinrichtung 11 immer
auf den Bildschirm 3 abgebildet wird. Das Verschieben der
optischen Elemente 12 und 13 bewirkt eine Verschiebung
der Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 11 innerhalb
der Nachführeinheit 22 (SLM
zu SLM') und insbesondere
der Fourier-Transformierten FT entlang der optischen Achse 1.
Durch die Verschiebung der Fourier-Transformierten FT, welche über den
Bildschirm 3 in die Betrachterebene 6 abgebildet wird,
zu FT' verschiebt
sich dementsprechend auch das Betrachterfenster 7, das
durch die Fourier- Transformierte
FT gebildet wird. Das entsprechend neue Betrachterfenster 7' befindet sich
nun in der neuen Betrachterebene 6' entsprechend der neuen Position der
Augen des Betrachters.
-
Es
ist jedoch wichtig, dass die beiden optischen Elemente 12 und 13 zusammen
entlang der optischen Achse 1 verschoben werden. Auf diese Weise
verändert
sich die Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 11 auf
dem Bildschirm 3 nicht.
-
Weiterhin
ist ein Raumfrequenzfilter 16 in der hier insbesondere
holographischen Wiedergabeeinrichtung vorgesehen, welcher nur ein
ausgewähltes Periodizitätsintervall
des Fourierspektrums (Raumfrequenzspektrum) durchlässt. Das
Raumfrequenzfilter 16 kann als Blende ausgeführt und
zwischen den optischen Elementen 12 und 15, insbesondere
in einer Fourierebene, hier in der Brennweite des optischen Elements 15,
angeordnet sein. Das Raumfrequenzfilter 16 ist bei Lichtmodulationseinrichtungen mit
aufweisender Pixelstruktur von großer Bedeutung, da die darin
kodierten Hologramme in der Fourierebene eine periodische Wiederholung
des Fourierspektrums aufweisen. Zur Unterdrückung oder Ausschaltung der
Periodizität
wird daher das Raumfrequenzfilter 16 in einer Fourierebene
angeordnet. Das Raumfrequenzfilter 16 lässt dabei nur die verwendete
Beugungsordnung passieren.
-
Von
Vorteil ist außerdem,
dass die Reduzierung des Fourierspektrums auf eine Beugungsordnung
und die Abbildung dieser Beugungsordnung sowie des Raumfrequenzfilters 16 als
Betrachterfenster jegliches Übersprechen
verhindern, das üblicherweise
bei Rekonstruktionen unter Verwendung von matrixförmigen Lichtmodulationseinrichtungen
auftritt. Damit lassen sich im Multiplex-Verfahren nacheinander
ein linkes und rechtes Auge eines Betrachters ohne Übersprechen
bedienen. Ebenso ist ein Multiplex-Verfahren für mehrere Personen dadurch
möglich.
-
Eine
weitere Möglichkeit
der Nachführung des
Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 zeigt 6.
Die Wiedergabeeinrichtung dieses Ausführungsbeispieles entspricht
dabei der in 4 dargestellten. In diesem Fall
werden nicht die beiden optischen Elemente 12 und 13 entlang
der optischen Achse 1 der Wiedergabeeinrichtung verschoben, sondern
das optische Element 15 und das Raumfrequenzfilter 16.
Die beiden Elemente 15 und 16 werden dabei in
Lichtrichtung entlang der optischen Achse 1 verschoben,
wobei sich das Betrachterfenster 7 somit ebenfalls in Lichtrichtung
verschiebt. Das neue Betrachterfenster 7' befindet sich nun in einem größeren Abstand
zum Bildschirm 3 als das Betrachterfenster 7.
Befindet sich der Betrachter in einem kleineren Abstand zum Bildschirm 3,
dann ist es notwendig, das optische Element 15 und das
Raumfrequenzfilter 16 in entgegengesetzter Richtung zu
der Lichtrichtung zu verschieben, damit das Betrachterfenster 7 näher an den
Bildschirm 3 rückt
und somit die Augen des Betrachters durch das Betrachterfenster 7 die
rekonstruierte Szene beobachten können.
-
Da
das optische Element 15 verschoben wird, wird somit auch
der dazugehörige
objektseitige Brennpunkt dementsprechend verschoben, wodurch das
Bild 11' der
Lichtmodulationseinrichtung 11 sich ebenfalls verschiebt.
Da das Bild 11' im
Unendlichen ist, wird dieses nun von einer anderen Ebene aus, welche
dem Bild 11'' auf der optischen
Achse 1 entspricht, auf den Bildschirm 3 abgebildet.
Der zur Abbildung des Bildes 11' gehörige Strahlengang in 6 verändert sich
somit nur in Lichtrichtung vor dem optischen Element 15,
wie durch die beiden Strahlengänge 4 und 4' dargestellt.
Die beiden Strahlengänge 5 und 5' zur Darstellung
der Abbildung der Fourier-Transformierten FT sind jedoch unterschiedlich,
wobei sich der Abbildungsort der Fourier-Transformierten auf der
optischen Achse 1 verändert
bzw. verschiebt. Dadurch verschiebt sich auch das Betrachterfenster 7,
wie bereits oben erwähnt.
Auf diese Weise kann somit ebenfalls eine Nachführung des Betrachterfensters 7 bei
Positionswechsel des Beobachters entlang der optischen Achse 1 der
Wiedergabeeinrichtung erfolgen.
-
Es
ist ebenso auch möglich,
die Lichtmodulationseinrichtung 11 in die Betrachterebene 6 auf
ein Auge des Betrachters abzubilden, wobei dann die Fourier-Transformierte FT
auf den Bildschirm 3 abgebildet wird.
-
Selbstverständlich kann
für eine
derartige Wiedergabeeinrichtung auch eine laterale Nachführung des
Betrachterfensters 7 vorgesehen werden. Dafür sind jedoch
eventuell weitere Elemente notwendig bzw. kann es erforderlich sein,
die Nachführeinheit 22 zu
verändern.
-
Somit
ist es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem Verfahren möglich,
neben einer lateralen Nachführung
der Austrittspupille bzw. des Betrachterfensters 7 auch
eine axiale Nachführung bei
Bewegung des Betrachters auf den Bildschirm 3 zu oder von
ihm weg vorzusehen, ohne dass eine Vignettierung der insbesondere
rekonstruierten Szene erfolgt.
-
Mögliche Einsatzgebiete
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Nachführen
eines Betrachterfensters in Verbindung mit dem Verfahren sind beispielsweise
in Wiedergabeeinrichtungen, insbesondere holographische Wiedergabeeinrichtungen,
für eine
zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich,
wie beispielsweise für
Computer, Head-mounted-Displays, Mobiltelefone, Fernsehen, elektronische
Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige von Informationen oder der
Unterhaltung, Medizintechnik oder auch für die Militärtechnik beispielsweise zur
Darstellung von Geländeprofilen.
Selbstverständlich
kann die vorliegende Vorrichtung auch in anderen, hier nicht genannten
Bereichen eingesetzt werden, in welchen eine Nachführung der
Austrittspupille der Einrichtung notwendig ist.