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WO2012062681A1 - Anzeigegerät, insbesondere ein head-mounted display, basierend auf zeitlichen und räumlichen multiplexing von hologrammkacheln - Google Patents

Anzeigegerät, insbesondere ein head-mounted display, basierend auf zeitlichen und räumlichen multiplexing von hologrammkacheln Download PDF

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WO2012062681A1
WO2012062681A1 PCT/EP2011/069485 EP2011069485W WO2012062681A1 WO 2012062681 A1 WO2012062681 A1 WO 2012062681A1 EP 2011069485 W EP2011069485 W EP 2011069485W WO 2012062681 A1 WO2012062681 A1 WO 2012062681A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
controllable
slm
display device
modulator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/069485
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerald FÜTTERER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SeeReal Technologies SA
Original Assignee
SeeReal Technologies SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US13/884,043 priority patent/US9406166B2/en
Publication of WO2012062681A1 publication Critical patent/WO2012062681A1/de
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Priority to US17/027,027 priority patent/US11953683B2/en
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    • G03H2225/60—Multiple SLMs
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    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2226/00—Electro-optic or electronic components relating to digital holography
    • G03H2226/05—Means for tracking the observer

Definitions

  • the invention relates to a display device in which a holographic reconstruction with a multi-composite image of a spatial light modulator (SLM) in a relatively large spatial visibility range can be generated.
  • SLM spatial light modulator
  • visual display devices are used to view e.g. two-dimensional video data, computer-generated stereo images or holographically generated data of a 3D scene.
  • VID Virtual Image Display
  • display devices with virtual imaging are used in display devices that are close to the eyes (Near Eye Display or Near To Eye Display).
  • Such display devices are known, for example, as Head-Mounted Displays (HMD) or Heimet Mounted Display (HMD). They are also referred to as data glasses (Data Glasses).
  • Head-mounted displays are display devices that are worn on the user's head similar to a pair of glasses or a helmet (Heimet Mounted Display). They can be designed for one (monocular HMD) or both (binocular HMD) viewer eyes.
  • the invention is not limited to pure head-mounted displays. It also relates to stationary or transportable display devices in which the viewer can view the enlarged representation of at least one display or the enlarged reconstruction of a three-dimensional scene reconstructed by a display device via optical magnification means located near the eye (eyepiece).
  • a holographic display device designed as an electronic peep box will be referred to below as a hocular.
  • a hocular Compared with an HMD, such a device does not have such great demands on size and weight. They can be used to advantage wherever 3D datasets with a large extent of spatial depth are to be viewed fatigue-free and over longer periods of time. This is the case, for example, in medical technology when viewing spatial computed tomography, magnetic resonance tomography, confocal microscopy or ultrasound data.
  • the invention can also be applied to display devices that lie in the direction of a user as a front view display and in which also an enlarged virtual or real image is generated (head-up display).
  • the invention can also be applied to such display devices that produce an enlarged real image.
  • display devices with virtual imaging such as head-mounted displays or hokular devices.
  • HMD head-mounted displays
  • devices with increased real image formation should not be excluded.
  • the normal environment may be completely shielded from the user, so that only the displayed information is perceived by him as a virtual reality (VR).
  • VR virtual reality
  • AR augmented reality
  • the natural environment may include, for example, a microscope image of a real object, which is generated by an additionally existing microscope beam path.
  • Some devices allow controllable means to influence the degree of overlay.
  • Fully shielded devices may also have at least one camera positioned near the eyes. By overlaying the camera image with the information to be displayed, AR applications can also be realized in this way.
  • Head-mounted displays are exemplified by references in various embodiments - e.g. eyewear-like or helmet-like - made famous.
  • An HMD device for stereoscopically displaying 3D scenes is e.g. known from the publication US 2009/0180194 A1.
  • a display device designed as an HMD for the holographic generation of reconstructions of three-dimensional representations is known, for example, from the applicant's WO 2008/071588 A1.
  • a 3D scene can be reconstructed only in a small spatial visibility area.
  • the viewer window (viewing window, VW, sweet spot) spanned thereby has only about the diameter of the eye pupil.
  • the viewer window is usually not a real aperture but is only generated virtually.
  • a one-dimensional coding of the holographic information in the SLM creates a viewer window with an incoherent and a coherent direction.
  • the coherent direction is defined by the distance between two diffraction orders, which are formed by the effective grid of the modulator cells.
  • the effective raster is the grid of the SLM visible to the observer's eye.
  • the holographic reconstruction can be viewed between the two selected diffraction orders. Their distance must be greater than the pupil diameter of the viewer's eye, so that double images are avoided.
  • the diffraction orders arise in the horizontal direction.
  • the size of the observer window in incoherent direction is determined by the angle spectrum of the illumination.
  • an extended light modulator of high resolution is required.
  • the viewer's eye pupil should normally lie between two diffraction orders in the observer window of a holographic HMD.
  • an HMD should use a spatial light modulator (SLM) with a very large number of modulator cells (modulator pixels, pixels). This applies in particular if the modulator cells of the SLM are to be coded only one-dimensionally.
  • SLMs spatial light modulator
  • small SLMs that can be used in HMDs have a modulator cell matrix with ⁇ 3 * 10 ⁇ 6 modulator cells.
  • an SLM should have a modulator cell point matrix with> 20 * 10 ⁇ 6 modulator cells. Therefore, there is a problem in modifying an HMD with a small number of modulator cells in the modulator cell matrix so that high resolution holographic reconstruction can be produced.
  • the volume of view (VOV) that expands into the viewer's space can be defined as a truncated pyramid with a plane at the top (frustum) representing a small viewer window to be created in the entrance pupil of the viewer's eyes. It contains another layer whose dimensions and their distance from the observer's eye define the horizontal and vertical viewing angles.
  • This plane may be, for example, an enlarged virtual image of an SLM, with which a reconstruction of a holographically encoded three-dimensional scene takes place.
  • the spatial visibility range expands from the viewer's eye to infinity.
  • the visibility area does not necessarily have to have a rectangular cross-section. Depending on the shape of the SLM used or the shape of limiting field of view diaphragms, it can also have a different cross-section and z.
  • B. be circular, elliptical or hexagonal.
  • the space-bandwidth product (SBP) in holographic displays, and consequently also in a holographic HMD, is generally defined by the size of a viewer window (VW) and should be minimized. If the observer window is as large as the entrance pupil (EP) of the eye, then the minimum of the SBP is reached, which still allowed a full object resolution. Increasing the VW beyond this value increases the SBP, but has the advantage that the VW does not have to follow the eye movement.
  • An HMD for reconstructing large 3D scenes should be distinguished from these features e.g. can have at least a large spatial visibility area, a large contrast and a large observer distance to the viewer's eyes.
  • the observer window should at least be so large that the eye pupils of the observer still have a freedom of movement, without a tracking device for the observer's eye must be activated in the display.
  • the spatial visibility region should have an aperture angle at which a reconstruction to be generated in the HMD can be superimposed on the real environment with a relatively large contrast. For the viewer, this should result in a three-dimensional representation of 3D scenes, as could be realized with a holographic direct-view display.
  • the images of a low resolution spatial light modulator are sequenced in one or two directions in time order.
  • mechanical deflection means such as tilt or polygon mirror are often used.
  • Such mechanical deflection also require a large volume and can produce annoying noise, which is why they are not very suitable for HMD's.
  • stationary devices however, they are more applicable.
  • switchable diffractive Braggittern In these switchable grids, a solid lattice is usually polymerized in a mixture of liquid crystals and polymers during the production by imprinting a hologram.
  • the refractive index of the liquid crystals can be changed so that light passes through the grating unhindered, or diffracted at this and thus deflected.
  • the disadvantage here is that due to the fixed grid structure, only one diffraction angle can be generated. This angle is also dependent on the wavelength. If one wishes to set several modulator images together to produce a large modulator area of high resolution, a separate grid in a stack must be joined together for each partial image. In each case in the stack only one grid is activated, which diffracts the light in the desired direction. Occurs through any non-activated grid the light through unhindered.
  • a separate switchable deflection grid is required for each color component red, green and blue due to the wavelength dependence of the diffraction angle for each image of the modulator to be generated, ie three per field. Since such switchable diffraction gratings can not be produced with a diffraction efficiency of 100%, the undiffracted light that passes through the stack in the switched-off state of all gratings can not be used for image generation as a rule.
  • the inventive solution assumes that a large spatial visibility area (frustum) is to be realized for generating large-scale scenes, but only a spatial light modulator with a small number of modulator cells is available.
  • a spatial light modulator SLM is to be understood to mean an areally extended device which can locally change the optical properties of light within the modulator area in order to be able to code hologram information.
  • a spatial light modulator is formed from a planar arrangement of individually controllable modulator cells (pixels, pixels).
  • the addressing of the modulator cells can be carried out, for example, electrically or optically.
  • the modulator cells can generate light controllable even or transmissive or reflective affect light controllable. In this case, a wavelength conversion of the light to be controlled can also take place.
  • a spatial light modulator can also be formed by a one-dimensional scanning device of a one-dimensional spatial light modulator, for example a one-dimensional diffractive light valve (GLAT), or by a two-dimensional scanning device of a point-shaped light modulator, for example a laser light source.
  • a one-dimensional scanning device of a one-dimensional spatial light modulator for example a one-dimensional diffractive light valve (GLAT)
  • GLAT one-dimensional diffractive light valve
  • a two-dimensional scanning device of a point-shaped light modulator for example a laser light source.
  • At least one spatial light modulator is imaged several times next to one another and / or one above the other. This is done at a speed that is so high that this time-sequential composition of the spatial Visibility area is not perceived by the viewer.
  • the multiple images may overlap partially or completely.
  • a holographic display that, for a head-mounted display device or a hocular, can enlarge a spatial light modulator and a 3D scene encoded therein, wherein lenses with a field lens or magnifying function in the beam path are expediently real or with a controllable optical means are applicable.
  • the spatial light modulator should lie in a transformation plane in accordance with the representation of a holographic direct-view display or be imageable in one of the transformation planes.
  • imaging systems can be used which can contain both refractive, diffractive and reflective imaging agents.
  • the observer window should be in the plane of the eye pupil and not coincide there with the image of the SLM.
  • the display device in particular a head-mounted display or hokular, contains a spatial light modulator, a light deflection device and at least one imaging system, wherein the spatial light modulator is illuminated with at least in one direction coherent wavefronts, wherein the light deflection device is designed so that controllable in a temporal sequence of at least one dimensionally composed of segments multiple imaging of the spatial light modulator can be generated, wherein the segmented multiple mapping takes place at least with a predetermined number of segments of the multiple image, which determines the size of a visibility area within which a spatially in the spatial light modulator holographically encoded 3D scene for viewing is reconstructable for a viewer eye.
  • the multiplied in a multiple image SLM is z. B.
  • the focus plane is the Fourier plane of the SLM, in which the light source is also imaged by the imaging optics with field lens function.
  • the inverse transformation of a hologram coded on the SLM arises in several diffraction orders.
  • the area between two diffraction orders is selected as the viewer window.
  • the hologram encoded wavefront which would emit a 3D scene, reaches the observer's eye. The viewer thus sees the reconstruction of the 3D scene in the reconstruction space, which is spanned by the viewer window and the virtually enlarged SLM.
  • the lens with field lens function can generally be designed as an imaging optics, which also contains a plurality of imaging means.
  • the imaging properties can also be made variable or controllable.
  • This imaging optics can advantageously contain other light influencing means such as diaphragms. In this case, for example, diaphragms can reduce the influence of image errors or suppress higher diffraction orders.
  • controllable light deflection device is designed so that a composite of segments multiple imaging of the spatial light modulator in the plane of a field lens is bar producible.
  • the representation of the segments may be made after passing through the coherent wavefronts by the controllable light deflecting means, which may for example have controllable layers as Lichtablenkstoff, with a number of the number réellespannendem visual cone segments for displaying views of the 3D scene and / or which is dependent on a viewable cone size.
  • Controllable Lichtablenkstoff for segmenting the spatial light modulator are spatially and temporally successively variable or simultaneously controllable, wherein the spatial light modulator in a visual cone can be generated virtually magnified.
  • the modulator plane can be enlarged according to the number of segments of the scanned SLM in the view cone, in which the virtual images of the SLM can be generated enlarged.
  • the spatial visibility area is formed by several segments, each of which is spanned by a virtual image of the SLM.
  • the virtual field lens and the overall virtual image of all partial images of the SLM are located in a plane of the spatial visibility region, which corresponds, for example, to that of a direct-view display.
  • the field lens is a condenser lens that produces a virtual viewer window between spatially separated diffraction orders, i. between spatially separated light source images. It is present in the plane of a virtual SLM image as a virtual field lens and thus as a virtual phase function and has a virtual focal length which corresponds at least approximately to the distance of the virtual SLM image.
  • This necessary virtual phase function can be realized by appropriate design of the imaging optics, without a real converging lens must be directly on the SLM, or in its immediate vicinity.
  • a real converging lens can also be arranged directly in the vicinity of the SLM and imaged with it in the area of the virtual SLM image.
  • the focal length of a virtually assumed field lens of such an HMD is almost equal to the virtual observer distance.
  • the controllable light deflection device is designed such that a small object, for example a controllable spatial light modulator, which is illuminated with planar coherent wavefronts, can be imaged several times at least one-dimensionally in segments.
  • the individual segments should connect as completely as possible or overlap each other partially, wherein the overlays in the coding of the hologram information can be considered.
  • the images of the individual modulator segments are enlarged.
  • the light deflection device in the display device is designed such that the segments of the multiple virtual image of the spatial light modulator connect substantially completely or overlap each other partially, wherein the regions of overlays in the coding of the hologram information can be considered.
  • the 3D representation can be further enlarged.
  • additional imaging means may be provided in the beam path with which the segmented multiple imaging of the spatial light modulator generated by the controllable light deflection device can be further enlarged.
  • the composite virtual image of the SLM lies in a plane in the viewing direction and limits the viewing angle range of the 3D reconstruction.
  • the viewer's eye defines a volume volume (VOV) that represents the spatial visibility area. It is advantageous to reconstruct only those parts of the 3D scene which are located in this visibility area.
  • VOV volume volume
  • the invention is based on the assumption that a coherent wavefront emitted by a, preferably reflective, spatial light modulator SLM represents a segment of the SLM in a main plane of a lens with a field lens function.
  • the SLM can be displayed as segments within the field lens one after the other and / or at the same time several times. With the successive or simultaneously displayable segments, individual parts of the spatial visibility range can be generated one after another or simultaneously.
  • the focus of the virtual field lens is the viewer's eye and the observer's window.
  • the viewer window is part of the plane that corresponds to the Fresnel transform of the virtual multiple image of the SLM.
  • the SLM with the coherent wavefront for example in the plane of the focusing system, preferably in a field lens plane of the focusing system, can be imaged several times next to one another.
  • the focusing system may have at least one lens with a magnifying function.
  • the controllable light deflection device can also replace the real SLM by an intermediate image of the SLM multiply at least one-dimensionally side by side.
  • the SLM may be present near or in front of the field lens plane, real or virtual.
  • the SLM can be multiplied at least one-dimensionally by virtual images.
  • the number of segments generated by the light deflection device for composing the multiple image of the spatial light modulator can be variably configured, for example, to match the spatial visibility range to be realized or a given viewing distance of the eye pupils to the virtual image of the SLM to be magnified to the image format or image content.
  • the light deflecting device can thus be designed in one embodiment variant of the display device such that the number and / or size of segments for assembling the multiple imaging of the spatial light modulator is designed changeable.
  • the multiple imaging of the SLM can be done with the light deflection device one or two-dimensional.
  • the light deflection means may, for example, contain at least two one-dimensional light deflection elements which are crossed with respect to one another in their deflection direction.
  • This grating period is preferably adjusted controllably by changing the voltage curve on an electrode structure.
  • controllable liquid crystal gratings, multiplexed volume gratings, or variable wedge angle controllable prisms may include, for example, a cylindrical lens function to achieve anamorphic stretching of the beams. It is also possible to use pairs of prisms in order, for example, to achieve anamorphic stretching of a beam or wave fields in one direction.
  • Multiplex volume gratings are volume holograms in which at least two different deflection directions were inscribed in the production.
  • the desired deflection direction can be selected via one or more properties of the incident light, such as the direction of incidence, wavelength or polarization state.
  • the controllable light deflecting device contains at least one volume hologram having at least two different diffraction angles, which are illuminated by at least two different entrance angles and / or two different wavelengths of light for illuminating the spatial Light modulator are selectable.
  • the volume grid can additionally contain a field lens function.
  • the arrangement may be modified such that a plane in which a composite image of an SLM is located is widened in one dimension, for example, by a factor of ten. However, it does not have to be exactly about this plane. It is enough that a present wavefront is widened.
  • the spatial visibility range of the HMD is generally definable by a predetermined size of the observer window and a predeterminable distance from the eye pupils of a viewer or user to the virtual multiple imaging of the SLM. This distance can be for example between 1 m and 3 m.
  • the HMD can have a spatial frequency filter in a further embodiment in the beam path, with the higher diffraction orders of the encoded by the SLM wavefronts are filterable.
  • the filter executed in the simplest form as a static aperture diaphragm can also be controlled as an aperture function in one embodiment and form the observer window whose image forms the entrance pupil on the eye of the observer.
  • the filter can be arranged, for example, in the middle focal plane of a telescopic imaging system. By filtering the high spatial frequencies of the SLM, the observer window imaged onto the eye appears without adjacent higher diffraction orders. This filtering can be used to advantage when the viewer or visibility window is only about as large as the viewer's eye pupil.
  • At least one filter is provided in the beam path, with which higher diffraction orders of the wavefronts coded by the spatial wavefront can be filtered.
  • the filter is particularly advantageously arranged in the middle focal plane of a telescopic imaging system.
  • a controllable tracking device is accordingly provided with which a viewer window can be tracked in a controllable manner as a function of the eye movement.
  • the tracking can be partially or completely carried out by the light deflection device for generating the segmented multiple mapping of the spatial light modulator.
  • the segments are already generated in this way, which follows the multiple imaging of the eye position.
  • the light deflection device is designed such that in addition to generating a composite in segments multiple imaging of the spatial light modulator a virtual viewer window depending on the eye movement controllable this movement trackable or the controllable tracking device can be supported.
  • adjusting means may be provided to adjust the viewer window manually or automatically to the position of the eye pupil and thus, for example, to the interpupillary distance.
  • sensors can be present which detect the mean position of the eye pupil, so that the optical system of the display device can be adapted, for example, to the interpupillary distance via corresponding actuators in order to optimally perceive the reconstruction of a 3D scene.
  • adjustment means are accordingly provided for manually or automatically adapting a viewer window to the position of an eye pupil of an eye of an observer and thus, for example, to the distance between the eyes.
  • adjustment means can also be partially or completely integrated into the light deflection device or the tracking device.
  • sensors for detecting the positions of the eye pupils may be present.
  • the light deflection device and / or the tracking device can thus introduce a fixed displacement value in order to optimally perceive the reconstruction of a 3D scene. Additional actuators can advantageously be omitted.
  • the light deflection device and / or the tracking device is configured such that it controllably adjusts the observer window to the position of the eye pupil or supports further adjustment means provided for this purpose.
  • the light deflecting means of the light deflecting means may also be arranged on a curved surface in one or two spatial directions to produce the composite multiple imaging segments.
  • the positional deviation of the segments of the composite multiple image of the spatial light modulator that is present sequentially with respect to a planar composition can be corrected in the holographic coding of the 3D objects, so that these are displayed correctly and undistorted in the virtual image space.
  • Such a curvature can also be caused by further optical imaging means in the generation of the segments.
  • the multiple image composed of segments for example by a curved mirror, can be displayed arched to an enlarged virtual modulator surface. This curvature can also be corrected in the holographic coding of the 3D objects
  • the light deflection device and / or further optical components of the imaging system for generating and / or imaging the segment of the composite multiple image of the spatial light modulator are configured so that these multiple images composed of segments can be generated and / or reproduced in a curved manner and that this curvature is taken into account in the coding of the three-dimensional scene.
  • the image of the first stage can be enlarged, reduced or scaled 1: 1.
  • the image can also be anamorphic.
  • the light deflection device 400 here contains by way of example as a first light deflection means a controllable liquid crystal lattice of variable lattice spacing and as second light deflection means a multiplex volume lattice in which a separate volume lattice is inscribed for each partial image and each imaging wavelength.
  • the selection of the volume grating selected for the respective required image and required wavelength is effected by the current diffraction angle of the first light deflection means and the current wavelength of a color-multiplex light modulation unit.
  • Anamorphic imaging may also be performed by or assisted by the light deflecting means, for example, by not only deflecting light by the light deflecting means but also spreading the angle spectrum.
  • the imaging system and the light deflection device are designed such that the multiple mapping of the spatial light modulator composed of segments takes place anamorphotically. It is advantageous to arrange a light deflection device which has only one controllable light deflecting means in the common focal plane of a telecentric imaging system. Here, this light deflection means only needs to perform a tilting of the beam path in order to produce a multiple image composed of segments. This tilting can be carried out for example by a controllable prism or a controllable diffractive deflection grating.
  • the position of the Lichtablenkffens for tilting the Starhienganges may also differ from the position of the focal plane, for example, to realize an additional field lens function. Occurring overlays of the individual modulator images can be considered in the hologram coding.
  • at least one telecentric imaging system is provided, in the object-side focal plane of which a light deflecting device is arranged, which controllably tilts the light coming from the spatial light modulator.
  • An extended embodiment - the temporal and / or spatial segmental provision of the image content in an extended viewer space - provides a space-variable combination of an incoherent 2D representation and / or a 3D stereo representation with a dynamically encoded, at least partially coherent holographic 3D representation represents.
  • the eye can focus particularly well on areas with high contrast differences such as points, edges or differentiated structures.
  • Unstructured surfaces represented in the room have only a low contrast. The eye can focus on it worse.
  • the design can be limited to extending only the edge region of the central observer window to the outside and thus to obtain a more comprehensive spatial impression of the dynamically encoded holographic 3D scene to be displayed.
  • the vertical observer angle may be considered to be the mean angular range of (0 to ⁇ 13) deg, i. 26 ° deg, which corresponds to a mean segment of the SLM in the field lens plane, are generated by means of dynamically encoded holographic 3D representation.
  • the angle ranges from +13 to + 39 ° deg and from -13 to - 39 deg are adjoining the middle angle range at the top and bottom, which can be generated by means of 2D or 3D stereo display.
  • the background is that within its natural environment, the user can only capture a limited solid angle with high resolution and highly perceptible 3D impression. If the user has a very large solid angle, the features of high resolution and strongly perceptible 3D impression are present only in a partial area of the entire solid angle. This is the area that the user can focus on. Since this area can move with the eye movement of the user in space, it is advantageous to let the area shown with strong focus and 3D features also wander. For this purpose, a registration of the To provide eye positions and / or the viewing direction.
  • the holographic representation and the 2D representation and / or 3D stereo representation can, for example, be flat in one another, merge into one another and / or directly adjoin one another.
  • a calibration and a look up table (LUT) can be used to eliminate perceptible disturbances in the frustum.
  • a SLM for a holographic coding and a SLM for a classical 2D representation may be advantageous to arrange a SLM for a holographic coding and a SLM for a classical 2D representation. It may also be envisaged to use laser diodes for illumination of an SLM for holographic coding and LED light emitting diodes for illumination of a SLM for a classic 2D representation.
  • a self-illuminating SLM for example an OLED display, can also be used for the 2D or 3D stereo display.
  • properties such as polarization, wavelength and / or spatial thinning of the object scene can be used, for example.
  • the light sources of a lighting device each illuminate two SLM, which reconstruct a common pixel area, for each different narrow-band wavelength ranges within a color range RGB interpretable.
  • the occurring color shift can be taken into account in the coding of a SLM assignable pixels.
  • differently polarized light eg, horizontally and vertically polarized or right and left circularly polarized
  • different intensities of the light components can be taken into account when coding the object points. Both variants can be combined.
  • the temporal and spatial coherence can be minimized by combining volume gratings with different arrangements of light sources, e.g. with laser diodes according to the listed variants.
  • a thinning out of object points with a plurality of SLMs the point clouds of the individual parts of the reconstructed 3D scene of these SLMs lying inside one another.
  • the individual SLMs can be illuminated, for example, with light sources that can have the same wavelength but are incoherent with one another. These light sources may also have slightly different wavelengths, these color differences should be taken into account in the hologram coding to obtain an undisturbed color reconstruction.
  • a further light deflection device is provided, which generates a further segmented multiple image of a further spatial light modulator.
  • the multiple images of the individual light modulators composed of segments are nested and / or rotated relative to one another and / or offset from one another and / or staggered in depth and define a common observer area with the eye pupil of a viewer's eye (1000, 1001, 1002). Their subareas adjoin or overlap completely or partially, the superposition being incoherent, partially coherent or coherent. In each subarea, there is a 2D representation and / or a 3D stereo representation and / or a holographic 3D reconstruction.
  • the SLM can be combined with a controllable component, which can have a lens with field lens function and a controllable light deflecting device in one.
  • This controllable component can also be a static volume grating, which can contain one another in one plane or superimposed on each other in different planes irradiated beam paths.
  • Such a static light deflection element is combined with another switchable or controllable light influencing means, for example a switchable or controllable shutter field, in order to forward only light of one deflection direction at a time.
  • another switchable or controllable light influencing means for example a switchable or controllable shutter field
  • the field lens of the focusing system can be designed solely as a single volume grating or as a controllable grating based on liquid crystals (LC).
  • the light deflector, a field lens, and an optional tracker may be arranged so that the zeroth diffraction orders of diffractive light deflecting means do not contribute to image formation.
  • diffractive Lichtablenk- and imaging means can be used, which have only a low diffraction efficiency, so that disturbing residual light in the zeroth diffraction order remains when the desired Lichtablenkoplasty is selected.
  • a controllable liquid-crystal grating of variable grating period and / or a multiplex volume grating is arranged in the controllable light deflection device (400, 401, 402, 450) such that light of the zeroth diffraction order passes through it unused and Keep away from the other active beam path.
  • the imprinting of ray profiles can for the purpose of polarization and / or Wavelength separation and angle separation or unification take place.
  • the same technical means are applicable, ie polarization, wavelength and Wnkel.
  • the volume grating in the case of a volume grating whose reconstruction geometry is electrically switchable, includes a liquid crystal material whose orientation is variably controllable.
  • Volume grids are due to their realizable thickness to compact beam trajectories, and are for the present invention, a suitable means to be able to reduce the display size or thickness and weight.
  • Static volume gratings i. Volume gratings with fixed reconstruction geometry or with temporally unchanged lattice parameters can be produced, for example, from dichromate gelatine (DCG), photorefractive glass or photopolymer.
  • DCG dichromate gelatine
  • Volume grids can be used very advantageously in which the refractive index changes in depth, ie. H. is a function of z.
  • a Z-apodization secondary maxima of the angular and wavelength selectivity can be deliberately suppressed, and specifically angle, polarization and / or wavelength selectivities can be set to the optimum function curve for the respective design.
  • This is applicable to both transmissive and reflective volume gratings, with different volume gratings in a thick layer, e.g. in different depth ranges, or in each other, i. be exposed at least partially overlapping, the apodization is designed, for example, so that at least the secondary maxima of the angular and wavelength selectivity suppressed and optimized for each design transitions of the individual segments of the multiple imaging of the SLM can be achieved.
  • Multiplex volume gratings can also be made from multiple layers bonded together with separate diffraction patterns. Each layer can also contain a multiplex volume grid and z. B. optimized for a wavelength or Wnkel Scheme.
  • the controllable layers of the light deflecting means may comprise a liquid crystal material which is controllable as a volume grating or as a liquid crystal grating in the light deflecting means for performing functions with phase curves to modulate beam paths or change their direction of propagation.
  • Electrically controllable volume gratings are known, for example, by the term PDLCG (polymer dispersed liquid crystal grating) and achieve high switching speeds.
  • PDLCG polymer dispersed liquid crystal grating
  • the coding may advantageously be restricted to a range of composite modulatorimage with deeply significant patterns and features.
  • This area is preferably in the direction of the viewer's eye and can be determined, for example, by detecting the pupil position.
  • An incoherent 2D or 3D stereo representation can be overlaid with the holographic reconstruction. This can be done over the entire area or even into one another by encoding the spatial light modulator in at least one segment holographically and in the other segments with stereo images, wherein the holographic reconstruction can be generated, for example, in the central segment.
  • the 3D scene can be represented, for example, two- or three-dimensional.
  • the HMD can be configured with a spatial light modulator SLM in which a 3D scene can be holographically coded, or in combination with a spatial light modulator SLM, which can provide stereo images for a 2D or 3D representation.
  • a spatial light modulator SLM in which a 3D scene can be holographically coded
  • a spatial light modulator SLM which can provide stereo images for a 2D or 3D representation.
  • the head-mounted display according to the invention defined in the main claim is expandable for execution as a 2D HMD, 3D stereo HMD and 3D holographic HMD, but does not require magnification.
  • the HMD designed according to the invention is modifiable for other stereoscopic display applications, e.g. as a display for a holographic direct view device or for a holographic TV set.
  • design variants can also be used in which at least one linear spatial light modulator is scanned.
  • the segments for the composite multiple imaging of the spatial light modulator are thereby preferably produced one-dimensionally transversely to the scanning direction in the form of scanning tires.
  • the scanning can be carried out, for example, with galvanometer mirrors, which can also be embodied as micromechanical elements, or polygon mirrors.
  • galvanometer mirrors which can also be embodied as micromechanical elements, or polygon mirrors.
  • controllable diffractive gratings for this purpose.
  • the spatial light modulator is configured as a linear spatial light modulator which can be scanned across its linear extension by a light deflecting means and whose scanning image can be repeatedly superimposed in succession by the controllable light deflecting device in the direction of its linear extension in time sequence.
  • a polygon mirror is used for scanning, this can be configured such that successive mirror surfaces are tilted relative to each other in the direction of the axis of rotation such that the individual scanning strips line up or have a slight overlap.
  • the coverage can be taken into account when coding the hologram values.
  • a polygon mirror is provided in which at least two mirror surfaces are tilted against each other so that their respective scanning perpendicular to the scanning direction are superimposed or overlap slightly.
  • a microlens arrangement may be provided in front of or behind the spatial light modulator of the display device in order to increase the light efficiency of the spatial light modulator and / or to reduce edge effects in the region between the individual modulator cells of the spatial light modulator.
  • the microlens arrangement can also be provided at the location of an intermediate image of the spatial light modulator or at the location of a composite intermediate image of the spatial light modulator.
  • the microlens array can have an apodisation mask in order to suppress as much as possible higher orders of diffraction which are formed by the grid of the modulator cells.
  • Apodization can also be achieved in that the foci of the microlenses are not exactly in the plane of the modulator cells, but are slightly out of alignment with them. With a slight defocusing, an adaptation of the described effects of the associated microlens to the size of the active surface can take place.
  • the lens shape can be optimized with regard to its optical transfer function. It can also be flat and have a gradient index profile.
  • a microlens array may also be located in the light path between a backlight and the modulator cells to concentrate the unmodulated backlight light onto the active area of the modulator cells.
  • An apodisation mask can also be used without the use of microlenses in order to suppress higher diffraction orders.
  • an apodisation mask may be present on the side of the spatial light modulator facing the viewer's eye. It can also be provided at the location of an intermediate image and / or at the location of an intermediate image composed of segments of the spatial light modulator.
  • the HMD can continue to have additional color filter for generating a colored reconstruction in the beam path, the z. B. are designed for the three primary colors red, green and blue.
  • transmissive and reflective SLMs can be used.
  • a flat foreground illumination device is required or the illumination device may include a projection system for oblique illumination.
  • modulators may be included systems that modulate the amplitude or, advantageously, the phase of the light.
  • Complex modulators that directly modulate amplitude and phase may also be included.
  • the light can, depending on the coding of two, such. B. in the two-phase coding, or a plurality of modulator cells are shifted to a complex hologram value on each other.
  • 1 a shows the function of the light deflection device on the basis of three switching states
  • FIG. 1 b the use of the light deflection device in a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 the extended field of view through the use of the arrangement according to FIG. 1 b
  • FIG. 1 b the use of the light deflection device in a first exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows the use of a reflective SLM and the principle of shortening the length by the use of mirrors in a 4f imaging system with an additional magnifying optics
  • Fig. 5 shows the principle of shortening the length by the use of a mirror in front of a magnifying magnifying glass, which includes a field lens function
  • Fig. 1 1 the use of curved mirrors to shorten the overall length in conjunction with a Arrangement of a light deflecting device behind the magnifying optics,
  • Amplitude modulator on an optically addressed spatial light modulator is an optically addressed spatial light modulator
  • 12b shows the use of a light deflection device for multiple imaging of an amplitude modulator on an optically addressed spatial light modulator, which together with the electrically addressable modulator for writing the phase values into the optically addressed spatial light modulator forms a complex-valued modulator during its readout;
  • FIG. 13 shows the use of a light deflecting device for multiple imaging over a thin waveguide
  • FIG. 14 the use of a light deflecting device for multiple imaging between a telescopic imaging system for imaging the modulator and an imaging system with magnifying optics
  • 16 shows the use of at least two variable wedges in a light deflection device for multiple imaging between a telescopic imaging system for imaging the modulator and an imaging system with magnification optics
  • 17 shows an arrangement for rapid displacement of bundles of rays using two deflection mirrors, which can be controllably rotated in the same direction, for use in a light deflection device for multiple imaging,
  • FIG. 19 shows the use of a light deflection device for multiple imaging with two controllable deflection mirrors which can be rotated in the same direction in a two-stage imaging system
  • FIG. 20 shows the use of a light deflection device with a controllable deflection grating and a multiplex reflection volume grating for multiple imaging in a two-stage imaging system
  • 21 shows the principle of an anamorphic enlargement of an SLM or of a multiple composite image of an SLM by means of two transmission volume gratings, the path differences between individual beams being compensated,
  • FIG. 22 shows the use of a light deflection device with a controllable deflection grating in FIG Aperture plane of a telecentric imaging system for multiple imaging in a two-stage imaging system
  • FIG. 23 shows the use of a light deflecting device in the immediate vicinity of the entrance pupil (EP) of the user eye for multiple imaging
  • FIG. 24 shows the use of an at least one-dimensionally curved light deflecting device in the immediate vicinity of the EP of the user's eye for multiple imaging
  • FIG. 24 shows the use of an at least one-dimensionally curved light deflecting device in the immediate vicinity of the EP of the user's eye for multiple imaging
  • Fig. 25 shows a color multiplexing apparatus employing a light deflecting means having a controllable deflecting grating in the diaphragm plane of a multi-image telecentric imaging system in a two-stage imaging system as shown in Fig. 22.
  • Fig. 26 is a vertical multiple imaging by means of a light deflecting means over a thin waveguide,
  • FIG. 31 minimizes edge effects of the modulator cells and increases the fill factor of the SLM using a microlens array using the example of a reflective SLM
  • FIG. 32 minimizes edge effects of the modulator cells and increases the fill factor of the SLM using a microlens array using the example of a reflective SLM in conjunction with a beam combination optics.
  • the light deflection device 400 has two controllable light deflecting means 410, 420 which, with modulated coherent wavefronts 720, 730, 740, comprise a spatial light modulator SLM 200 multiply.
  • the SLM 200 is collimated with a lighting device, not shown here. After modulation of the light by the SLM 200, a modulated coherent wavefront 710 exits therefrom.
  • the SLM 200 is illuminated with a convergent wavefront.
  • An optional, not shown here beam combination optics is adapted to this form of lighting.
  • a birefringent plane plate (Savart plate) is used in the beam combination optics, as proposed in the Applicant's DE 10 2009 044 910 A1, this must be modified in thickness as a function of the SLM location such that the wavefronts of the adjacent , pixels to be merged on top of each other.
  • a flat front lighting containing at least one volume grille such spherical lighting can be easily implemented.
  • the field lens or a part of it is implemented in the illumination device so that refractive surfaces can be saved.
  • a transmissive SLM a convergent backlighting can also be used for this purpose.
  • a modulated planar wavefront 710 in the controllable light deflecting means 410, 420 as a modulated wavefront 730 is only forwarded and not deflected.
  • the spatial light modulator can be represented as a segment in a subsequent field lens plane.
  • the deflection of the modulated wavefront 710 in two different directions is seen as modulated wavefronts 720, 740.
  • the deflection can be predefined with at least one light deflection element or layers can be used with which predefinable deflection angles can be set during activation. With a combination of deflecting elements of a controllable deflection with a fixed adjustable deflection modulated wavefronts can also be deflected and forwarded.
  • the controllable light deflecting means may e.g. contain two controllable liquid crystal materials.
  • 1 b shows the basic structure of a head-mounted display HMD claimed according to the invention, in which a light deflecting device 400 according to FIG. 1 a is used. An SLM 200 to be imaged multiple times is followed in the beam path by the light deflecting device 400 and a magnifying lens 530, which have relatively small distances from one another.
  • the 3D reconstruction of the hologram information encoded in the SLM 200 can track the movements of the eye pupil of a viewer eye 1000. This is particularly advantageous when the observer window produced differs only slightly in diameter from the pupil diameter of the observer's eye.
  • the SLM 200 which contains, for example, a matrix with individually controllable modulator cells
  • sub-holograms of a 3D scene with different views can be generated by modulations M, of wavefronts WF, in chronological order.
  • the modulator cells are illuminated with light from a light source, not shown, whose light coherent properties in at least one direction illuminated, collimated with a planar wavefront.
  • the wavefront 710, modulated in time sequence by the spatial light modulator 400 is deflected in different directions in the light deflection device 400 as modulated wavefronts 720, 730, 740.
  • the spatial light modulator 200 is arranged in segments one after the other in time in the plane of a magnifying lens 530 as a composite virtual spatial light modulator of high resolution.
  • the magnifying lens 530 includes a field lens function.
  • the light modulator images that can be assigned to the segments are virtually visible in the spatial visibility range, whereby the modulated wavefronts 720-740 can be assigned to the light modulator images by the light deflection unit 400 at the respective times of the different light deflections.
  • the viewer can grasp the stretched area of visibility in its entirety and see the three-dimensional representation.
  • the spatial visibility area defines the viewer's space within which the three-dimensional reconstruction can be perceived.
  • the SLM 200 can be represented in the plane of a magnifying lens 530 temporally and / or statically next to one another, with the modulated wavefronts 720-740 produced become.
  • the magnifying lens 530 which may advantageously be designed as a multi-lens system, is generally not the field lens, depending on the distance to the viewer's eye 1000. It acts as a magnifying glass with the composite SLM located within the focal length of the loupe system.
  • the focal length of the magnifying lens 530 can be adjusted by the distance of the composite modulator image to the object-side main plane of the magnifying lens 530, the position of the perceptible by the eye virtual image of the composite modulator image. At the same time, the visibility range of the holographic reconstruction is determined.
  • the field lens is real or virtual in the plane of a real or virtual (multi-compound) SLM. Their function can be implemented throughout the optical system and include multiple passive and / or active imaging elements.
  • the magnifying lens 530 may also be designed to realize the field lens function.
  • the composite modulator image in this case is in the main plane of the magnifying lens 530 and at the same time is also the eye perceived virtual image of the composite modulator which spans the visibility region. In this case, it is a pure field lens, which is arranged at the distance of its focal length in front of the entrance pupil of the user's eye. It does not cause magnification.
  • the scanning of the SLM 200 with the light deflector 400 and the field lens function lens 500 sequentially arranged in the light propagation direction is shown in a basic layout.
  • the SLM 200 can carry the different holographic information with temporally following coherent wavefronts, with the light deflection device 400, which contains, for example, at least one controllable liquid crystal lattice, in several segments in the field lens plane, eg five times in succession with the sequence 1, 2, 3 , 4, 5 are at least one-dimensionally displayed or copied, so that an image 270 of the composite modulator arises.
  • the controllable liquid crystal gratings are preferably designed as per se known active liquid crystal polarization grating whose lattice constant can be changed by changing a voltage profile on an electrode structure and thus the inscribed phase profile.
  • segmented wavefronts 720-760 which emerge one after the other, are directed in the direction of the eye pupil with imaging means.
  • imaging means With the illustrated segments of the SLM 200, a spatial visibility area that spans from the eye pupils to infinity is created.
  • Scanning the spatial light modulator 200 with the wavefronts may also be static, segmenting the SLM 200 as a whole, i. a plurality of spatial light modulators are arranged in close proximity or are combined by imaging means into a large high-resolution virtual modulator by the light deflection device 400.
  • a simultaneous multiple imaging in the plane of the lens with field lens function 500 can also take place. This can be achieved, for example, by volume grids in which several propagation directions are statically inscribed. At a fixed time, coding is correct for only one segment and not for 4 other segments, for example. The further propagation of the light from these segments in the direction of the eye can be suppressed, for example, by means of electrically switchable diaphragms. Such switchable diaphragm arrangements can be designed, for example, as liquid crystal shutter displays.
  • the advantage of their use in the HMD is that in addition to the SLM 200 and, for example, the light source only segmented quickly switchable aperture can be used.
  • a controllable spatial light modulator with 4000 ⁇ 2000 modulator cells can be increased 5-fold.
  • FOV spatial visibility range
  • the imaging optics with field lens function 500 may be refractive, diffractive or reflective. Also combinations, such as a refractive system with diffractive correction are possible.
  • the SLM 200 can advantageously be driven instead of the sequence 1, 2, 3, 4, 5, for example, with the sequence 2, 4, 1, 3, 5 for the segmentation.
  • Optimization of the reconstruction order of the 3D scene to be generated may be in relation to the segment of the SLM 200 and in terms of color.
  • 3 to 5 show purely schematically some typical beam paths for generating an enlarged virtual modulator image, as they are also known from the prior art.
  • the HMD comprises a lighting device 100 which comprises a light source 110, e.g. a laser diode, and collimating optics 120, e.g. B. a lens, for collimating the light of the light source 1 10, the plane coherent wavefronts on the controllable spatial light modulator SLM 200 direct.
  • a 4f imaging system 500 here having the two lens systems 510 and 520, is located downstream of the SLM 200. It maps the SLM 200 onto an intermediate image 280.
  • the lens system 500 advantageously has a spatial filter function for higher diffraction orders of the wavefronts dynamically coded by the SLM 200.
  • the suppression of the higher diffraction orders originating from the spatial modulator pixel matrix of the SLM 200 is advantageous if the possibility, which disturbs the quality of the reconstruction, exists that these orders enter the entrance pupil EP of the viewer's eye 1000.
  • a filter 590 necessary for this purpose can be arranged, for example, in the form of a pinhole in the common focal point of the lens systems 510, 520.
  • An imaging system with magnifying optics 800 follows in the further beam path to the eye pupil the 4f imaging system 500 with which the viewer eye 1000 perceives the image 280 of the SLM 200 as an enlarged virtual image 220.
  • SLM 200 there may also be a composite modulator image generated by a light deflection device.
  • such a controllable light deflecting device may have at least two controllable layers, which may be formed as two controllable liquid crystal layers.
  • One of the layers may optionally contain a volume hologram with inscribed ray paths.
  • the light deflecting device may also have partially or completely other controllable light deflecting elements.
  • These may include, for example, elements with controllably variable wedge angles, as are known from image stabilization applications in photographic lenses.
  • 2D and 3D images or reconstructions can be in individual areas or overall in spatial Visibility area are displayed.
  • FIG. 4 shows the embodiment of an HMD shown in FIG. 3 in a top view with a folded beam path.
  • the beam path has two additional mirrors 920 and 930 for passing on the coherent wavefronts.
  • a SLM 200 here is a reflective design, for example, a reflective liquid crystal modulator with a silicon substrate (liquid crystal on silicon, LCOS) or a micro-mirror assembly (microelectromechanical systems, MEMS, digital micromirror device, DMD) used, which via a flat front lighting 150 (front light unit, FLU).
  • the coherent light generated in the light source 110 is coupled via the collimation optics 120 and a deflection mirror 910 into a wedge-shaped waveguide of the flat front illumination 150.
  • the SLM 200 may optionally include a beam combining optic BC 300 in the case of a phase modulator to obtain complex valued modulation values for hologram reconstruction.
  • a composite modulator image generated by a light deflector may be located.
  • a light deflection device may be advantageously arranged in a conjugate plane of the SLM.
  • Fig. 5 shows the principle of one-level virtual enlargement of the SLM 200 as a compact setup of an HMD.
  • a tracking device can be omitted because of the close arrangement of the individual components or the combination of their functions in at least one common controllable layer and the very large magnification of the observer window.
  • the light collimated by the collimating optics 120 of the light source 110 is directed onto the SLM 200 by a flat front illumination 150.
  • An optional beam combining optics 300 may be placed in front of the SLM 200 to combine the light modulated by a plurality of modulator cells into a common complex hologram value, respectively.
  • the spatial light modulator SLM 200 is imaged into a plane within the focal length of a magnifying lens, which is advantageously designed as a magnifying imaging system.
  • the wavefronts arrive in the further beam path via the mirror 930 to the eye pupil of the observer eye 1000, with which the virtual image 220 of the SLM 200 in a plane of the spatial visibility region is enlarged as a screen visible.
  • diffractive optics in the form of volume gratings are well suited for compact beam paths that implement the proposed principle.
  • the SLM 200 may be a composite modulator image generated by a light deflection device.
  • FIG. 6 shows a holographic projection system.
  • the SLM 200 will work with the light source 1 10 and the Collimating optics 120 via the deflecting mirror 910 and by means of a flat front lighting 150 purely exemplarily illuminated.
  • a beam combining optics 300 may be disposed in front of the SLM 200.
  • the magnified composite virtual image of the SLM 200 not shown here, for example, appears at a distance of 1 m in the size of a 42 "display, in this plane, for example, corresponding to a dynamic 3D picture frame.
  • the beam path includes a mirror optics 950, 960, 970 and a controllable light deflection device 400, with which the spatial light modulator SLM 200 is at least duplicable. It is advantageous here that the light deflection device 400 can be single-layered, since only a deflection of the modulator image needs to take place and no offset. In the intermediate image 270, the different modulator images are present next to one another.
  • the light deflection device 400 may also be configured with a static light deflection device in conjunction with a controllable segmented shutter.
  • the projection system can also be executed with an aperture plane in the plane of the observer window, whereby higher diffraction orders can be suppressed.
  • the mirror 970 can be converted, for example, to a refractive component.
  • the rays coming from and impinging on the SLM 200 are in this case reflected by total reflection (FTIR) to the entrance pupil (EP) of the viewer's eye.
  • FTIR total reflection
  • EP entrance pupil
  • a see-through display can be realized.
  • the function of mirror optics 970 can also be realized, for example, with a reflection volume hologram.
  • the angular and wavelength selectivity can be limited such that a see-through display is realized. Again, an additional shutter can be used.
  • FIG. 7 schematically shows a further exemplary embodiment in which a light deflection device 450 is positioned behind a field lens.
  • the light deflecting device 450 includes, as in FIG. 1 or FIG. 2, first and second light deflecting means 460 and 470, at least one of which is controllable.
  • the light deflecting device 450 can also be combined with a tracking device, which tracks the observer window the eye and / or the pupil movements of the observer eye 1000, to a Lichtablenk- and tracking device.
  • a tracking device which tracks the observer window the eye and / or the pupil movements of the observer eye 1000
  • a Lichtablenk- and tracking device Such an arrangement allows a magnifying optics 810 to be kept small between the SLM 200 and the light deflecting device 450 in comparison with an arrangement in which a light deflecting device is located in front of a lens system.
  • a real field lens can also be arranged.
  • Fig. 8 illustrates the larger size of an imaging system with magnifying optics 800, as it in the embodiments of FIG. 3 or FIG. 4 is arranged. Since it already depicts the composite intermediate image 270 of an SLM, not shown here, its required diameter is greater with a comparable SLM size and with comparable imaging ratios.
  • An optional tracking device 600 can be arranged in the beam path between the magnification optical imaging system 800 and the viewer eye 1000.
  • FIG. 9 shows diagrammatically how, by the use of two mirrors 920 and 930 for beam deflection, a shortening of the depth can be effected in a design variant in which the light deflection device 450 is arranged behind the magnifying optics 810 for the SLM 200. Again, only relatively small diameter of the lenses of the magnifying optics 810 and the mirror 920, 930 are required for beam deflection, since the multiple imaging of the SLM 200 by the Lichtablenk- device 450 takes place behind these components.
  • the deflection mirror 930 can also be made semipermeable or controllably semipermeable to allow AR applications. 10 shows a particularly advantageous embodiment variant in which the deflection mirrors are simultaneously part of the light deflection device 450.
  • At least one light deflecting means 460, 470 of the light deflecting device 450 is designed to be controllable in order to enable multiplex imaging of the SLM 200 in time division multiplex mode.
  • the light deflection means 460, where 470 is implemented as a reflection hologram which includes a plurality of reconstruction geometries.
  • the magnifying optics 810 with magnifying lens function ensures that the viewer's eye 1000 perceives the multiple imaging in the given virtual observer distance.
  • the undirected through the light deflecting means 460 and 470 passing through light d. H. the 0th diffraction order is not used and can be suppressed with suitable absorbing or shading agents so that it can not get into the viewer's eye 1000.
  • the light deflecting means 460 is implemented as a transmission hologram in which a plurality of deflection directions are written, or it can controllably deflect the light.
  • These light deflecting means 460, 470 may also comprise multi-or multi-cell array arrangements, which may be switchable or controllable in one or two dimensions, to facilitate or assist in additional field lens or correction functions.
  • a real field lens can be arranged in the plane of the real SLM 200.
  • volume gratings diffractive or reflective deflection means can also be used.
  • Such layers may, for example, comprise cells of switchable or controllable electrowetting cells which realize a variable wedge function.
  • Fig. 1 1 is schematically the use of a curved mirror 970 to shorten the overall length in connection with the Lichtablenk device 400 for multiple imaging of the SLM 200 behind the Magnifying optics 810 shown.
  • the SLM 200 embodied here in a reflective manner is illuminated by the light source 110, which can be configured, for example, as a laser light source, via the collimation optics 120, the deflection mirror 910 and the flat front illumination 150.
  • the SLM 400 is imaged several times in one or two dimensions next to each other as a real composite intermediate image 270, so that a high-resolution spatial light modulator is produced.
  • the holographic reconstruction produced by the composite spatial light modulator is again magnified.
  • the SLM 200 may be followed by a beam combination optics 300 in order to obtain high-quality complex-valued modulation values.
  • Fig. 12a shows a comparison with FIG. 1 1 slightly modified embodiment.
  • an optically addressable spatial light modulator (OASLM) 250 is placed on it.
  • the SLM 200 is multiplied side by side in chronological order by the imaging optics 810 and the light deflection device 400.
  • the light deflection device 400 may additionally have imaging properties or entirely replace the imaging optics 810.
  • the imaging optics or additional imaging function can also be reduced in size to achieve a small imaging grid on the OASLM 250.
  • the OASLM 250 forms a high resolution secondary spatial light modulator.
  • the holographic information encoded in the OASLM 250 by the multiple image of the SLM 200 is magnified by the viewer's eye 1000 via the curved mirror optics 970 perceived as a reconstruction of a three-dimensional scene.
  • a coherent light source 160 which is preferably a laser light source, illuminates the OASLM 250 via collimating optics 170, an optional deflecting mirror 980, and flat front illumination 170 for reading out the composite information written on the SLM 200 to reconstruct the holographic three-dimensional scene.
  • the front illumination can alternatively be formed as a back light unit (BLU).
  • BLU back light unit
  • the OASLM can be followed in the beam direction by an optional beam combination optics 300.
  • the readout of the OASLM 250 which is embodied as a transparent phase modulator, takes place via the SLM 200, which serves as an amplitude modulator both for writing the phase values into the OASLM 250 and for reading the associated phase values with amplitude values encoded in the SLM 200. Both together form a complex-valued modulator.
  • a beam combination optics is thus superfluous.
  • the spatial resolution increases, since several modulator cells of the SLM 200 need not be used to encode a complex value.
  • the writing of the phase values can take place over a different wavelength than the reading of the phase values with the amplitude values.
  • the photoconductor of the OASLM 250 can only be sensitized for the write-in wavelength, for example in the near UV range.
  • the individual areas of the OASLM 250, to which the SLM 200 is sequentially imaged, can also be designed so that they can be switched sensitively in regions for a write-in process or can be deactivated for readout, whereby the written phase information remains stored.
  • the photoconductor then has sufficient time to drain the old charge carriers, e.g. B. in the time in which one or all other segments are written and / or read, since this part of the OASLM 250 is not illuminated in this period.
  • the color planes are also produced in chronological order.
  • FIG. 13 the generation of a virtual high-resolution composite SLM image via a respective thin waveguide 1 101 and 1 102 is schematically shown for each of a left and a right viewer's eye 1001, 1002 of an observer.
  • a binocular array, as shown here, is the preferred variant for a holographic HMD and all embodiments shown herein.
  • the optical components for the left and right viewer eyes 1001, 1002 are largely identical or mirror-symmetrical, so that only the channel for the left viewer's eye 1001 is described.
  • An SLM 201 operating here by way of example is illuminated via a flat front-side illumination 151.
  • coherent light of a light source not shown, is coupled via a collimating lens 121 in the front lighting.
  • the SLM 201 can optionally be followed by a beam combination optics 301. Via a magnifying optics 81 1, the wavefront modulated by the SLM 201 reaches a light deflecting device 401.
  • the waveguide 1 101 does not have to be completely planar, but may also have a curved surface.
  • the light of an angular spectrum generated by the light deflecting device 401 is coupled out of the waveguide 1 101 in the direction of the observer eye 1001.
  • the viewer's eye 1001 takes the reconstruction of the hologram information encoded in the SLM 201. This is generated in chronological order by the enlarged composite virtual image of the SLM 201.
  • the light deflecting unit 401 here may include only one light deflecting means, which preferably includes a variable grating period diffractive controllable liquid crystal grating.
  • the reflective ones Decoupling grids 1 121 -1 123 form the second layer of the light deflecting unit 401. They can also be made in the form of dielectric layer stacks. Their function is to convert at a defined location along the waveguide 1 101 each have a defined angle of incidence in a defined Ausfallswinkel and thus in a defined Auskoppelwinkel.
  • the coupling grating 1 1 1 1 can also be designed to be reflective and on the light deflecting unit 401 opposite side of the thin waveguide 1 101 are arranged.
  • the decoupling gratings 1 121 -1 123 can be designed to be transmissive and can be arranged on the side of the thin waveguide 1 101 facing the eye.
  • the light deflection device 401 can also be arranged between the imaging optics 81 1 and the SLM 201, which however, as already shown in FIG. 8, increases the size of the imaging optics. If the Lichtablenk device 401 constructed at this point two layers, it can directly generate the temporally and spatially offset multiple imaging, which, however, a larger coupling grid 1 1 1 1 is required. If the light deflecting device 401 is configured in one stage at this point, the virtual images of the SLM segments, in contrast to the representation of FIG. 8, are no longer in one plane, but each form an angle to one another. This must be taken into account when coding the hologram values.
  • the SLMs 201, 202 may each be followed by a beam combination optics for generating complex-valued hologram values.
  • OASLMs can also be used to generate the holographic reconstructions.
  • the multiple mapping can also be implemented in two stages by a light deflecting device between the electrically addressable SLM and the OASLM on the one hand and behind the OASLM to another.
  • the OASLM used must also have a high switching frequency, i. they have to be able to produce a high frame rate.
  • the light deflection device (400, 401, 402, 450) is designed so that controllable in a temporal sequence at least one dimensionally composed of segments multiple imaging of the spatial light modulator (200, 201, 202, 206, 207 , 250) can be generated in a flat waveguide.
  • the spatial light modulator 200, 201, 202, 206, 207 , 250
  • FIG. 14 schematically shows the use of a light deflecting device 400 in a multi-stage imaging system.
  • a light modulation unit 260 is located in front of a telescopic imaging system which has the two lens systems 510 and 520 and in whose common focal plane a diaphragm 590 is arranged. This forms the SLM from the light modulation unit 260 into the object plane of the imaging system with magnifying optics 800, which substantially corresponds to FIG. 8 and is located in front of the viewer's eye 1000.
  • the image of the first stage can be enlarged, reduced or scaled 1: 1.
  • the image can also be anamorphic.
  • the SLM is imaged multiple times in the object plane of the imaging system with magnifying optics 800 as a composite intermediate image 270 by the light deflection device 400.
  • the light deflection device 400 here contains by way of example as the first light deflection means 410 a controllable liquid crystal lattice of variable lattice spacing and as second light deflection means 420 a multiplex volume lattice in which a separate volume lattice is inscribed for each partial image and each imaging wavelength.
  • a light modulation unit 260 contains, for example, holographic optical elements (HOE), which are advantageously designed as volume gratings, not only collimated illumination, but also a plane wave spectrum, as required in a one-dimensional holographic coding, can be set specifically in conjunction with a collimation unit .
  • HOE holographic optical elements
  • wavefront curvatures ie, for example, spherical waves
  • the light deflector 400 may generally perform additional correction and wavefront shaping functions.
  • the production of the required volume gratings by a hologram exposure can be carried out directly in the optical structure used, wherein the desired output distribution serves as a reference wave for the exposure. With such an in situ exposure, all occurring image defects can be taken into account.
  • aberrations z As known from simulations of a used optical design program, it can be calculated from these and from the setpoints computer generated holograms (CGH) for correction.
  • CGH computer generated holograms
  • FIG. 14 the arrangement of a light deflection device between an observer eye 1000 and a magnifying optical system 810 in a two-stage image is shown schematically once again in FIG. 15.
  • the enlarging optics of the second imaging stage largely correspond to FIG. 7. However, they do not imaged the SLM directly enlarged, but rather an intermediate image 280.
  • This intermediate image 280 of the SLM of the light modulation unit 260 is represented by the telescopic imaging system which contains the two lens systems 510 and 520 , generated.
  • an aperture 590 for suppressing higher diffraction orders, which are generated by the SLM grid, can advantageously be arranged in the common focal plane of the lens systems 510 and 520.
  • the first stage corresponds largely to the first stage of FIG. 14.
  • the numerical aperture of the second stage of FIG. 15 can also be reduced in comparison with FIG. 14, since the light deflection Device is arranged only behind this lens system.
  • the first image of the SLM of the light modulation unit 260 on the intermediate image 280 can also be made, for example, by means of the first lens system 510, which is corrected to "infinity", and the second lens system 520, which generates an image similar to the tube lens of modern microscopes
  • Aperture aperture 590 used in the viewer window may be located, for example, in the back focal plane of the first lens system 510 and thus in the first Fourier plane of the SLM.
  • the representation of the 3D object is holographic, it is possible to take into account aberrations, such as field curvature, in the coding of the object points in order to be able to represent flat, undistorted planes, for example.
  • Image errors which can be different for each multiplex segment of the multiple image of an SLM, can also be compensated in the coding of the 3D scene or with additional correction elements not shown here. These can, for example, in addition to the phase and locally occurring angle changes also correct the amplitude.
  • Such an element can be arranged here, for example, in the vicinity of the intermediate image 280. This can be, for example, a phase correction plate which, in addition to an adapted correction phase distribution, has an adapted correction amplitude distribution.
  • controllable diffractive gratings which can also be used in combination with multiplex volume gratings
  • other suitable light deflecting elements can also be used or combined in the light deflecting device 400.
  • prisms with controllable wedge angle as they are also used for image stabilization applications, use well as controllable Lichtablenk elements. They can also be advantageously used for tracking the observer window after the eye movements described earlier if the observer window is too small for comfortable viewing of the SD reconstruction.
  • 16 schematically shows such a device having a first and a second controllable light deflection means 410, 420 in a light deflection device 400, which are designed as controllable prisms with variable wedge angle. They are arranged to duplicate the SLM of a light modulation unit 260 between a telescopic imaging system containing the two lens systems 510, 520 and a magnifying optics imaging system 800 as described in FIG. The multiple image is formed as an intermediate image 270.
  • the telescopic imaging system may again include a shutter 590.
  • the time-sequentially segmented clamping of the viewer's space can, as shown here, be designed purely with refractive elements.
  • the controllable wedge angle range of the variable prisms can be reduced.
  • controllable sliding lenses can be used controllable sliding lenses. These can advantageously also be designed as diffractive optics in order to achieve small moments of inertia and thus high accelerations in a translatory or rotational movement. It may be advantageous to image the SLM scaled down on the displaceable diffractive optics to further reduce the size and thus the weight.
  • FIG. 17 demonstrates the principle of the beam offset with the aid of two controllable deflecting mirrors 41 1, 421, which can be rotated in the same direction with each other at high speed.
  • FIG. 18 An arrangement for rapidly shifting beams using a fast controllable lifting mirror 414 for use in a multiple imaging light deflecting device is shown in FIG. 18.
  • the controllable lifting mirror 414 is located in front of two deflecting mirrors 412, 413.
  • FIGS. 17 and 18 can also be combined with one another in order to controllably achieve an additional tilting of the beam path.
  • an additional tracking can be realized.
  • FIG. 19 schematically shows the use of two light deflection means 410, 420 as light deflection device 400 in a two-stage imaging system, which are designed as controllably rotatable deflecting mirrors. They are likewise rotated in the same direction as in FIG. 17, but in contrast to FIG. 17 they reverse the direction of light. As in Fig. 16, they are also arranged for multiple imaging the SLM of a light modulation unit 260 between a telescopic imaging system having the two lens systems 510, 520 and a magnifying optics imaging system 800 as described in Fig. 8. Again, an optional aperture 590 can be arranged. The multiple image is formed as an intermediate image 270. The arrangement of the two controllable deflecting mirrors 410, 420 at the same time allows a folding of the beam path and thus a shortening of the overall length.
  • a controllable rotatable plane-parallel plate can be used for the beam offset for a multiple imaging. This is advantageously made achromatic. Angle of rotation, refractive power and plate thickness determine the beam offset. If, instead of the plane-parallel plate, a lens is used which may also be anamorphic, a field lens function can additionally be realized in one or two directions. Such an arrangement is also well, if necessary, for tracking the viewer window on the eye movement, since there lower speeds are required.
  • FIG. 20 schematically shows the use of a light deflection device 400 with two light deflection means 410, 420, which are designed as a controllable deflection grating and as a multiplex reflection volume grating for multiple imaging in a two-stage imaging system.
  • the use of a reflective volume grating allows, compared to a transmissive embodiment, as shown in Figure 14, easier to change the beam direction in addition.
  • the light deflecting means 420 of the light deflection device 400 in FIG. 19 and FIG. 20 facing the viewer's eye can also be made semipermeable or controllably semipermeable in order to enable AR applications.
  • it may be a polarizer, e.g. is designed as a wire grid polarizer (WGP) included.
  • WGP wire grid polarizer
  • FIG. 21 schematically illustrates the principle of an anamorphic magnification of an SLM 200 or a multi-composite image of an SLM 270 by means of two transmission volume gratings 191, 192, the path differences between individual beams being compensated.
  • the coherence length of the light of a light source 1 10, which was collimated with a collimating optics 120 be kept small.
  • this arrangement can be integrated into the beam paths of the device according to the invention.
  • this arrangement for anamorphotic stretching does not have to be arranged in the immediate vicinity of the SLM, as shown in FIG. 21, but can also be arranged, for example, in a region of the beam path which has a plane wave spectrum which is sufficiently limited.
  • Sufficient for use of a volume grating is a plane wave spectrum which is diffracted with high diffraction efficiency.
  • the usable angle range for a transmission volume grating is the higher, the thinner the transmission Volume grid is.
  • reflection volume gratings have a wider angular selectivity than transmission volume gratings.
  • the principle of compensating a path length difference that occurs can also be implemented with two reflection volume gratings or with a combination of a reflection volume grating and a transmission volume grating.
  • the arrangement of FIG. 21 can combine the function of the anamorphic expansion with the function of deflecting a beam or the deflection of a wave field in a light deflecting means to achieve a space-saving folding of the beam path and to minimize the number of components used. By optimizing the optical design, the number of active components can be reduced.
  • FIG. 22 schematically illustrates the use of a light deflection device 400 with a controllable deflection grating in the common focal plane of a telecentric imaging system including the two lens systems 510, 520.
  • a diaphragm 590 can advantageously be arranged for filtering out unwanted diffraction orders which are generated by the grid of the SLM of a light modulation unit 260.
  • This tilting can also be performed by another controllable light deflection means of the light deflection device 400, for example a controllable prism.
  • the position of the light deflection means for tilting the staring path can also deviate from the position of the focal plane in order, for example, to realize an additional field lens function. Occurring overlays of the individual modulator images can be considered in the hologram coding.
  • the composite intermediate image 270 is further greatly magnified virtually, making it suitable for the viewer's eye in the plane of a virtual display, i. For example, at a distance of 1 m to 2 m, becomes noticeable.
  • the principle proposed here can also be applied to systems containing more than two imaging stages.
  • an optional tracking device may be included, for example, in the immediate vicinity of the eye.
  • this tracking device is an angle-introducing element, it causes a shifting of the composite virtual modulator image and thus of the observer area.
  • the Tracking device should be synchronized with the light deflection device 400, in particular, if its mode of operation is dependent on the light entry angle in order to obtain a fully assembled modulator image.
  • the shift of the composite modulator image can be taken into account in the hologram coding for the reconstruction of the 3D scene.
  • a moving 1 D lens can be mounted in the plane of the diaphragm 590, which spans the plane wave spectrum in the observer area in the incoherent direction, or increases it to the necessary value. That is, this plane wave spectrum of the observer window does not have to be fully present even when illuminating the SLM of the light modulation unit 260.
  • the light deflection device 400 may include additional correction functions for minimizing aberrations or also a cylindrical lens function for implementing an anamorphic change in magnification.
  • a single controllable light deflecting means may be used to time sequentially bias the viewer area when placed in close proximity to the entrance pupil of a viewer's eye. The greater the distance of this light deflection means to the entrance pupil of the user's eye becomes, the smaller becomes the area of the effectively usable viewer window. If the viewer window is sufficiently large, i. For example, 20 mm, so z.
  • a single, time-sequential, angle-introducing, controllable liquid crystal grating may be used 10 mm away from the viewer's eye to obtain a composite modulator image.
  • the concrete value results from the distance to the viewer's eye, the size of the non-tilted observer window in the plane of the entrance pupil of the observer's eye, the desired observer area and the accuracy of an optionally present tracking of the observer window on the entrance pupil of the viewer's eye.
  • FIG. 23 This is illustrated schematically in FIG. 23.
  • the light deflection device 450 moves so close to the viewer eye 1000 that no controllable beam offset but only controllable beam tilting is necessary in order for the viewer eye 1000 to look into a light modulation unit 260 encoded 3D scene within a multi-composed viewer space to allow.
  • the light of the light modulation unit 260 controllably deflected by the light deflection device 450 generates the virtual composite modulator image with the aid of magnification optics 810 at the desired viewing distance.
  • the optional aperture 580 is used to filter higher diffraction orders of the SLM. It limits the viewer window and keeps high levels of laser radiation, such as those that can occur in higher diffraction orders, away from the eye environment.
  • the light deflecting means of the light deflection device 450 can also be arranged on a curved surface in one or two spatial directions in order to multiply assemble the viewer area in one or two spatial directions. This is shown schematically in FIG. 24 in comparison to FIG. 23.
  • the positional deviation of a composite curved virtual modulator surface that is present sequentially with respect to a planar composition can be corrected in the holographic coding of the 3D objects, so that they are displayed correctly and undistorted in the virtual image space.
  • the function of the virtually assembled SLM and the tracking on the entrance pupil of the observer's eye can be additionally taken over by the light deflecting means with a corresponding configuration.
  • a purely time-sequential composition of the viewer space makes high demands on the refresh rate of the spatial light modulators used.
  • the composition of the pictorial space is of particular interest for the following reasons as well.
  • approximately 725 modulator cells / deg are required to produce a viewer window of 15 mm, which makes it possible to dispense with observer tracking in the fixed position of the observer and the display device.
  • this value it is possible to reduce this value to, for example, one-third to illuminate a 5 mm entrance pupil of the viewer's eye.
  • approximately 250 modulator cells / ° deg of the observer area are still required in a coherent direction.
  • only 60 modulator cells / ° deg of the observer area are required for full HD resolution in a two-dimensional or stereoscopic display.
  • the modulator pixel count of current high resolution spatial light modulators is insufficient to span a large holographic viewer area.
  • a time-sequential multiple composition in particular in the coherent direction, a desired large viewer area can be generated.
  • the requirements for the speed of the modulator increase due to the time-sequential mode of operation, in particular if the three primary colors red, green and blue are also to be displayed in a time-sequential manner.
  • the coherent image content may be displayed sequentially in a thinned form, i. several thinned object point clouds in succession.
  • this also increases the demands on the frame rate of the spatial light modulators used.
  • the three basic colors red, green and blue can be generated at the same time, which then together or separately by temporal multiplexing create a composite viewer space.
  • a spatial and temporal multiplex can also be combined.
  • a large viewer area z. B. spatially be assembled in a spatial direction by a plurality of modulators and in the other spatial direction by temporal multiplexing of these spatial light modulators.
  • the composition of the beam paths of three spatial light modulators with different colors can be done with known means for beam combining such as dichroic mirrors, prism arrays, polarization-dependent optics or diffractive Lichtablenkstoffn.
  • Fig. 25 shows schematically an arrangement for color multiplexing when using a Lichtablenk- device 400 with a controllable deflection grating as a controllable light modulation means in the common focal plane of a telecentric imaging system for multiple imaging of the three spatial light modulators of the three light modulation units 261, 262, 263 different spectral distribution in a two-stage Imaging system, as shown schematically in Fig. 22 without color multiplex.
  • the beam combination of the three modulator images of the light modulation units 261, 262, 263 takes place here in the common intermediate image plane of the telecentric imaging system, here in each case from an object-side separate lens system 51 1, 512, 513 for each light modulation unit 261, 262, 263 and an image-side lens system 520 the light deflection device 400 is made.
  • an aperture 590 can optionally again be located.
  • the lens group 520 is designed for a larger numerical aperture.
  • the blue light modulation unit 262 is purely exemplary in the direct beam path.
  • the light deflection device 400 is obliquely illuminated with green and red light of the two light modulation units 261, 263.
  • a reflection volume grating 990 is additionally used in the red beam path in order to fold the beam path.
  • the angle selectivity of the volume grating 990 determines the size of the red SLM or, when determining the SLM size, the effective focal length of the first lens system 513 inserted directly behind the SLM.
  • a color beam splitter cube may be used in front of the light deflecting device 400.
  • the light sources of the light modulating units 261, 262, 263 for illuminating the SLMs of the individual colors are synchronized with the light deflecting means 400.
  • the light deflecting device 400 should reach at least three times the switching speed of the three SLMs if it can not be designed achromatically.
  • the SLMs are advantageously each offset by one-third of a frame period and illuminated in a time-shifted manner only with short light pulses when the associated information is completely inscribed in them.
  • a controllable liquid crystal grating may be operated at 1.8 kHz and a phase SLM such as LCOS at 600 Hz.
  • the merging of the red, green and blue beam paths can also be done after the Multiple mapping in the plane of the composite intermediate image 270 done.
  • each of the three beam paths red, green and blue contains its own light deflection device, to which then lower demands on the switching speed need to be made.
  • FIG. 26 shows an embodiment of a HMD with a vertical multiple imaging in conjunction with a thin waveguide 1100, as already shown in FIG.
  • a reflective-working SLM 200 is illuminated via a flat front-side illumination 150.
  • coherent light of a light source not shown, is coupled into the flat front-side illumination 150 via a collimating optical system, not shown here.
  • a beam combination optics 300 can be optically combined with, for example, two phase values of adjacent modulator cells of the SLM 200 for two-phase encoding.
  • SLM 200, front illumination 150 and beam combining optics 300 are part of a light modulation unit 260, which receives the data for a holographic coding of a 3D scene from a control unit not shown here.
  • the light modulation unit 260 is advantageously arranged within the object-side focal plane of a magnifying optical system 800.
  • the light waveguide modulated by the light modulation unit 260 reaches the first controllable light deflecting element 410 of the light deflecting device 400.
  • the controllable light deflecting means 410 is advantageously designed as a controllable liquid crystal grating in which a variable diffractive deflecting grating is generated via a voltage profile applied to an electrode structure can.
  • a second light deflecting means 420 deflects the light of the respective angular spectra in such a way that segments which are displaced in the vertical direction relative to one another are formed in time-division multiplex.
  • the light deflecting means 420 of the light deflecting device 400 may also include a controllable liquid crystal grating as the light deflecting means. It may also include a multiplexed volume grating that converts each of the different input angle spectra into an associated output angle spectrum.
  • this multiplexed volume grating can additionally be designed for wavelength division multiplexing, wherein it can also have a plurality of volume gratings and / or multiplex volume gratings set one behind the other.
  • the distance between the two light deflecting means 410 and 420 depends inter alia on the maximum deflection angle of the light deflecting means 410 and the number of vertical segments to be produced.
  • the time-sequentially generated vertical segments are coupled via a coupling optics 1 1 10, which preferably contains a volume grating, in a thin waveguide 1 100 at a shallow angle, so that the light of all coupling angle total reflection at the two boundary surfaces of the waveguide 1 100, the are arranged parallel to each other, in the direction of the waveguide 1 100 propagates.
  • FIG. 26 shows the coupling into a lateral boundary surface of the waveguide 1100.
  • the coupling by means of coupling optics 1 1 10 in the light deflection device 400 facing side of the waveguide 1 100 for example by means of a transmissive volume grating, or in the light deflection device 400 side facing away from the waveguide 1 100, for example with the help a reflective volume grid.
  • the coupling optics 1 1 10 may advantageously contain at least one multiplex volume grid. Similar to in FIG. 13, the light coupling into the waveguide 1 100 by the coupling optics 1 1 10 in the form of several horizontal angle spectra, for example five, but here split the common horizontal Modulatorzellen Scheme the light modulation unit 260, take place.
  • FIG. 13 the embodiment according to FIG.
  • the waveguide 1100 does not have to be completely planar, but its surfaces can be curved and / or have a small wedge angle with respect to one another.
  • the second light deflecting means 420 and the coupling optics 1 1 10 can also be combined in a common component for light deflection and coupling.
  • Via a coupling-out optical system 1 130 the light is coupled out of the planar waveguide 1 100 in the direction of the viewer's eye 1000.
  • the result is a viewer window, not shown here, in which the eye pupil of the observer's eye 1000 is located. In this viewer window, the magnified multi-composite virtual image 230 of the SLM 200 in vertically arranged segments I-IV becomes visible in the viewer's space.
  • the timing of segments I-IV may be changed and optimized. It can also have a random sequence. The random distribution should be chosen so that flicker is suppressed as much as possible. For this purpose, too long a time interval to the representation of the same segment should be avoided.
  • the apparent distance of the multi-composite virtual image 230 to the viewer's eye 1000 depends u. a. from the size of the active area of the SLM 200 and the magnification of the magnifying optics 800. It can be for example 2m.
  • lens functions or / and wave field forming functions such as anamorphic stretching or upset, in the components, i. for example, in the first controllable light deflecting means 410, in the second controllable light deflecting means 420, in the coupling optics 1 1 10, in the thin waveguide 1 100, and in the coupling optics 1 130 in addition to their primary and previously described functions.
  • the viewer window and the multi-composite virtual image 230 of the SLM 200 define the observer area in which a reconstruction of object points of a three-dimensional scene is performed by the holographic amplitude and / or phase distribution encoded in the light modulation unit 260.
  • a two-dimensional scene can be generated holographically at any distance from the viewer's eye.
  • a scene can also be displayed two-dimensionally in the plane of the multiply composed virtual image 230 directly, ie. H. not holographic, encoded.
  • the coupling optics 1 130 is configured so that it contains several horizontal segments AE, each implement a horizontal Einkoppelwinkel Scheme in a horizontal Auskoppelwinkel Anlagen, so that a common multi-planar virtual image 230 of SLM 200 divided into horizontal segments ae arises. These horizontal areas simultaneously couple the light of a vertical segment I-IV. Both the horizontal segments ae and the vertical segments L-IV adjoin each other without gaps or overlap easily, with an overlay, or a Overlapping of the segments in the coding of the hologram values for generating the object points to be reconstructed can be taken into account.
  • 1 100 position-sensitive sensors 1 140 may be contained on the thin waveguide 1. These are preferably arranged in edge regions of the waveguide 1100, which are located outside the visibility range of the observer. For illuminating these position-sensitive sensors 140, the light modulator 200 may have additional modulator cells in the edge region which are used for the determination of the correction values but not for the coding of the hologram information.
  • the adjustment values can be determined permanently during the operation of the device, which can also Drifterscheinept, which can be caused for example by temperature changes compensate.
  • a larger maximum deflection angle can also be generated, so that no transparent sensors and no additional modulator cells on the light modulator 200 are required for this adjustment.
  • this additional area is only used to determine correction values during power-up during an initialization phase. It is generally not in the visibility range but e.g. in the range of a visual field diaphragm, as it represents, for example, a spectacle frame.
  • the position-sensitive sensors 1 140 can also be designed to be transparent and located in the field of view of the viewer's eye 1000, so that they are barely perceived and likewise do not require any additional modulator cells on the modulator. Absorptions caused by them can be taken into account when coding the hologram values.
  • the correction values can be determined by generating suitable test patterns.
  • position-sensitive sensors 1 140 for example, one-dimensional or two-dimensional fields of photoreceptors such as photodiodes or phototransistors or CCD or CMOS sensors are suitable. With them, for example, a simple edge detection can be done. It is also advantageous to use position-sensitive photoreceivers in which the center of gravity of one or more light distributions can be determined via a lateral electrode structure.
  • the position-sensitive sensors 1 140 can also be designed directly on the planar waveguide 1 100, for example in thin-film technology.
  • the vertical misalignment can be actively compensated by means of the liquid crystal grid used.
  • a second crossed controllable liquid crystal grid could be included.
  • the coupling-out optical system 1 130 can also be embodied as a transmissive volume grid and can be located on the side of the thin waveguide 1100 facing the viewer's eye 1000.
  • the numerical aperture of magnifying optics 800 determines the resolution.
  • the resolution is too close Select that at least the Ote and another diffraction order of the SLM 200 propagate behind the - general primary - magnifying optics 800.
  • Optical components used behind magnifying optics 800 may have reduced angular acceptance. This is the case with bulk gratings, for example.
  • the advantageous plan wave spectrum present behind the magnifying optics 800 is predetermined by the angular acceptance, or angle selectivity, of the optical components inserted behind the magnifying optics 800.
  • the plan wave spectrum present in an advantageous manner behind the magnifying optics 800 determines the size of the light modulation unit 260 that can be used in front of it and thus also the required size of the first controllable light deflecting means 410 inserted behind the magnifying optics 800.
  • the size of the SLM 200 or the light modulator 260 used can be increased.
  • the numerical aperture of the magnifying optics 800 used should generally be greater than or equal to the numerical aperture, which allows all coded object points of the 3D scene to be displayed to be resolved.
  • controllable light deflecting means 410 and 420 can also be arranged offset from one another, so that their 0 diffraction order can be filtered out, if the effective higher diffraction orders have too small diffraction efficiency, so that when selecting still disturbing intensity components remain in the 0th diffraction order.
  • the generation of the compound enlarged virtual image 230 of the light modulation unit 260 may be anamorphic. It can for example be realized by the magnifying optics 800 and / or the coupling optics 1 1 10. However, it is also possible to use additional elements, such as cylindrical lenses, gratings or even volume gratings, in the beam path between the light modulation unit 260 and the planar waveguide 1100. For example, a cylindrical lens may be located behind the second controllable light deflecting means.
  • the coupling and decoupling in the planar waveguide 1 100 through the coupling optics 1 1 10 or through the coupling optics 1 130 can also be done unsegmented, in which a continuously decoupling element is included to decouple present angle at defined locations in defined directions.
  • transmissive or reflective volume gratings can be included, over the thickness of which the angular selectivity is optimized.
  • reflective volume gratings have a wider angular acceptance than transmissive volume gratings.
  • the angular acceptance of transmissive Bulk grids can be purposefully reduced by increasing their thickness.
  • the angular acceptance can be influenced by varying the modulation intensity, ie the refractive index change.
  • the advantage here is the suppression of secondary maxima of the angle selectivity.
  • suppression of the secondary maxima of the angular and / or wavelength selectivity is advantageous.
  • the envelope of the refractive index modulation is a rectangular function neglecting the absorption in the recording medium.
  • the envelope of the refractive index modulation can also be set deliberately via the choice of the coherence of the wave fields used for the exposure and, for example, also in the form of a Gaussian normal distribution, a Hamming window or an Kaiser-Bessel window. This leads to a considerable reduction of the secondary maxima of the angle and wavelength selectivity. This is advantageous, for example, if angular and / or wavelength selectivities of different reconstruction geometries lie close to one another.
  • a volume grating and / or a multiplexed volume grating whose envelope of the refractive index modulation has been deliberately set via the choice of the coherence of the wave fields used in the production thereof for the exposure is present in the controllable light deflection.
  • one-dimensional light modulators in which the modulator cells are arranged in a two-dimensional modulator cell matrix, it is also advantageous to use one-dimensional light modulators in order to achieve a high-resolution, large viewing area in an HMD or a hocular.
  • Such one-dimensional or linear light modulators have only one or a few columns of modulator cells. Since no matrix-type control is necessary, they can be produced inexpensively with high resolution in the column direction.
  • Suitable linear SLMs are, for example, one-dimensional arrangements of modulator cells which contain controllable diffractive gratings (grating light valve, GLV or grating electro-mechanical system, GEMS). These work reflectively and allow a phase modulation of the incident light.
  • controllable diffractive gratings grating light valve, GLV or grating electro-mechanical system, GEMS.
  • GLV grating light valve
  • GEMS grating electro-mechanical system
  • One-dimensional LCOS or one-dimensional transparent liquid crystal modulators can also be used.
  • these modulators multiply juxtaposed in time sequence in the direction perpendicular to the linear extent of the modulator cells displayed. These are z.
  • Example the previously presented means for generating a composite enlarged virtual image of an SLM when a controllable Lichtablenk- device is used, which allows a continuous deflection angle in a predetermined angular range, which among other things determines the size of the viewer area.
  • One-dimensional SLMs are particularly suitable for one-dimensional encoding of the hologram values that occur in the direction of the modulator column, ie, transverse to the scan direction.
  • the SLMs are illuminated in chronological order with the individual color components red, green and blue analogously to two-dimensional SLMs or each color component is modulated by its own SLM, the beam paths being designed such that a composite SLM is used enlarged virtual image is formed, as shown for example in Fig.25.
  • FIG. 27a the scanning of a one-dimensional SLM by a controllable light deflecting means 410 is shown purely by way of example.
  • the optical structure largely corresponds to FIG. 22.
  • the light modulation unit 260 contains at least one linear SLM.
  • the scanning of the linear SLM takes place here in the region of the central focal plane of a telecentric lens system with a Lichtablenkkar 410.
  • the Lichtablenkstoff advantageously contains a controllable diffractive liquid crystal grating, the lattice constant is modifiable by a voltage applied to an electrode structure voltage profile in a predetermined range finely.
  • the maximum deflection angle is determined by the smallest possible lattice constant, which is determined by the fineness of the electrode structure.
  • the telecentric lens system includes a first lens system 510 that parallelizes the light coming from the light modulation unit 260 as a projection system, and a second lens system 520 that operates as an F-theta optic.
  • the scan angles produced by the light deflection element 410 are translated into shifts by this lens system 520 to form a composite intermediate image 270 which functions as a virtual two-dimensional SLM for the subsequent magnifying imaging system.
  • Such an imaging system has already been described in FIG.
  • the common focal plane of the telecentric imaging system may also include an aperture 590 here. Higher orders of diffraction occur here only in the direction of the modulator cells.
  • FIG. 27 b shows an exemplary embodiment of a light modulation unit 260 which contains at least one linear SLM 205, as can be configured in FIG. 27 a.
  • the linear SLM 205 is illuminated by at least one light source 110, for example a laser light source, sufficiently coherently via a collimation optics 120 and a beam splitter cube 130, which serves as front illumination.
  • Sufficiently coherent means that the spatial coherence of the collimated light of the light source 110 is so great that at least a partial area of the SLM 205 can be illuminated in which an object point to be reconstructed is generated holographically, ie the area of a sub-hologram.
  • the linear SLM 205 with a beam combination optics with which the modulated light of respectively two adjacent modulator cells of the SLM 205 designed as a phase modulator are combined to a complex value.
  • the two modulator cells need not be strictly adjacent modulator cells. Their distance is determined by the distance, with the light different, ie orthogonal, polarization is shifted in a retardation plate 330 against each other. For this purpose, the light of the two respectively participating modulator cells in a structured retardation plate 320 is locally different, ie polarized orthogonally.
  • An unstructured linear polarizer 310 selects from the two superposed light components of different, ie orthogonal, polarization the common polarization component. Orthogonal polarizations are linear linear (TE) and linear parallel (TM) polarized light, as well as left circular and right circularly polarized light.
  • the linear SLM 205 contains at least two adjacent columns of modulator cells. These may also have a greater distance from each other, so that, for example, between them also control electronics can be arranged.
  • the patterned retardation plate 320 then consists of only one strip of birefringent material, which produces a polarization orthogonal to the incident polarization in the double pass. For example, to increase the achromaticity of the orthogonalization of the polarization of adjacent stripes of the SLM, a + L / 4 and a -L / 4 retard strip over adjacent SLM reflective stripes may be used.
  • the displacement of the optical path in the retardation plate 330 of the two polarization components relative to one another corresponds to the distance between the two modulator cell columns.
  • the polarization-modifying elements 310, 320 and 330 should be made largely achromatic. They may also have a controllable polarization-dependent phase delay which is synchronized with the wavelength. For this purpose, liquid-crystalline layers with controllable birefringence are suitable.
  • FIG. 27c shows a further embodiment of an exemplary light modulation unit 260, as can be used in FIG. 27a.
  • the complex-valued modulation values are here generated by superimposing the phase-modulated light of an associated modulator cell of a respective linear SLM 206, 207 by means of a beam splitter cube 130.
  • the linear SLMs 206, 207 are parallel to each other before each one, e.g. orthogonal, surface of a beam splitter cube 130 is positioned.
  • Both SLM 206, 207 are illuminated together by means of a light source 1 10 and a collimating optics 120 on the beam splitter cube 130 sufficiently coherent.
  • the collimating optics 120 is therefore located in front of a further surface of the beam splitter cube 130.
  • the combined light of the two SLMs 206, 207 is coupled out via a fourth surface of the beam splitter cube 130.
  • the controllable light deflection means 410 according to FIG. 27a can also have additional correction functions and / or a cylindrical lens function which can be used to implement an anamorphic change of the magnification.
  • FIG. 28 schematically shows an exemplary embodiment with a polygon mirror 415 for scanning the modulated light of the light modulation unit 260 in the common focal plane of a telecentric imaging system having two lens systems 510 and 520 as in FIGS. 27a-27c.
  • the optical beam path including the light modulation unit 260 largely corresponds to FIGS. 27a-27c, so that will not be discussed in more detail here.
  • the polygon mirror 415 serves as a controllable light deflecting means which scans the linear light modulation unit 260 transversely to its linear extent in a scanning strip, thus producing a two-dimensional virtual SLM in the intermediate image plane 270.
  • a light deflection device may be located in this plane, which deflects the modulated light of the light modulation unit 260 transversely to the direction of movement of the polygon mirror 415 in order to generate with an imaging system, not shown, a composite enlarged virtual image of the intermediate image 270, which consists of at least two consists of superimposed enlarged scanning strip.
  • the light deflection device is synchronized with the movement of the polygon mirror 415 and the light modulation unit 260 via a system control, not shown.
  • such a light deflection device can also be arranged between the lens group 510 and the polygon mirror 415 or between the polygon mirror 415 and the lens group 520.
  • switchable or controllable liquid crystal grating with adjustable grating period or switchable liquid crystal polarization grating or switchable volume grating can be used.
  • the necessary tilting can also take place with a light deflecting device which is arranged between the lens group 520 and the plane of the composite image 270.
  • a light deflecting device which is arranged between the lens group 520 and the plane of the composite image 270.
  • two controllable Lichtablenkstoff such as two controllable liquid crystal grating or two switchable volume grating elements, arranged one behind the other, so that with two, an angle introducing components, the necessary lateral displacement of a scanning is done to a composite image of several scanning in the plane of To get intermediate picture 270.
  • An assembly of two angle introducing components may also be placed in front of the lens group 510, i. between the light modulation unit 260 and the lens group 510.
  • One combination is to insert an angle introducing member between the primary SLM and the lens group 510 and to insert an angle introducing member between the lens group 520 and the composite image 270.
  • the composite intermediate image 270 is followed by an enlargement function imaging system, not shown, which generates the two-dimensional composite enlarged virtual image of the SLM of the light modulation unit 260.
  • a polygon mirror 415 can be made slightly achromatic, resulting in the construction of devices simplified for the colored reconstruction of 3D scenes.
  • mirror surfaces can contain an absorbing diaphragm for suppressing higher diffraction orders transversely to the direction of rotation.
  • This aperture function can also be realized by limiting the height.
  • successive surfaces of the polygonal mirror 415 are designed to be tilted relative to one another, so that a multiply-assembled image also takes place in the direction of the linear extent of an SLM of a light modulation device 260.
  • the number of mutually tilted surfaces determines the number of multiple images in the direction of the linear extent of the SLM.
  • the tilt sequence can be repeated several times in the SLM in order to increase the number of mirror surfaces and thus reduce the required rotational speed of the polygon mirror 415.
  • the tilt order of the individual mirror surfaces in the individual sequences can also vary in order to minimize flicker effects.
  • each mirror surface needs only for a reflection angle, and if the colors are generated in the time-division multiplexing, be selected only for a wavelength range, so that no multiplex volume holograms are required.
  • Such a sequence of mirror surfaces consisting of reflective volume gratings can also be repeated several times on the polygon mirror 415.
  • the reflective volume gratings can be configured such that their deflection angle varies in the deflection direction, so that additionally a lens function or a change of the image scale takes place in this direction or aberrations of one or more imaging systems located in the beam path are corrected in this deflection direction.
  • aberrations of one or more imaging systems located in the beam path can also be corrected in the direction of rotation. Smaller aberrations in both directions can also be corrected when coding the pixels.
  • linear SLMs which have a relatively large modulator cell spacing or have larger gaps between the modulator cells.
  • individual mirrors of the polygon mirror 415 can only slightly tilt against each other, so that the temporal sequence results in a high-resolution gapless enlarged composite virtual image. Since the maximum achievable diffraction angle is reduced in the hologram coding, such an embodiment is not preferred but only advantageous if gaps between the modulator cells are technically required. It is advantageous to let the individual image strips overlap in the direction of the linear extent of an SLM so strongly that for a holographic coding of object points in the Overlap area due to the limited maximum diffraction angle sufficiently coherently illuminated modulator cells are available.
  • Multiplexing in two dimensions can also be achieved by having two orthogonal polygon mirrors, the first being mapped to the second. Although this lengthens the beam path, but this is not a problem in a fixed holographic display device.
  • the linear SLM has several modulator cell columns, adjacent pixels to be reconstructed can be coded in different columns to avoid speckle. It is advantageous if the individual modulator cells of the different columns within a pixel grid are slightly offset from each other. Such an arrangement can also be used to increase the resolution in the direction of modulator expansion.
  • the beam paths can be configured for two observer eyes so that only one polygon mirror is needed, which scans at least one light deflecting unit 260 for the right and the left observer eye.
  • the position of the individual image segments relative to one another or their absolute position can be determined or determined, for example, in a known manner by means of photosensitive sensors. Necessary corrections can be taken into account when coding the hologram values.
  • a common polygon mirror 415 can be present for all the required colors.
  • a separate light modulation unit 260 can be contained for each color, which analogous to FIG. 25 can each be assigned its own lens group 510.
  • the beam paths can be arranged slightly offset in the direction of rotation of the polygon mirror 415 and use different overlapping scanning areas of the polygon mirror 415.
  • a color reconstruction occurs only in the common overlap area, which determines the size of the common composite enlarged virtual image of the linear SLM of the light modulation units 260 in the direction of rotation.
  • the beam paths can also be arranged offset transversely to the direction of rotation.
  • the mirror surfaces are designed as reflective multiplex volume gratings, which have such a deflection direction transverse to the direction of rotation of the polygon mirror 415 for each color component depending on the offset of the modulator image strip on the mirror surface such that the color components follow the common lens system 520 overlap. It can also be used without offset, i. the individual color components are only tilted against each other.
  • each mirror surface for each color component can contain a separate segment transverse to the direction of rotation, which are tilted relative to one another in such a way that the individual color components largely overlap after the lens system 520. Reflective volume holograms on the mirror surfaces are then not required.
  • the mirror surfaces may have curved surfaces to provide additional lens functions or correction functions.
  • the linear light modulation unit 260 can also advantageously be designed such that all color components are combined in it. This can be done, for example, with color beam splitters, which are arranged in front of the lens system 510 serving as projection optics.
  • FIG. 29 demonstrates once more the avoidance of the 0th order of diffraction when using diffractive optical elements in controllable light deflection means 410, 420, as it can be used in most of the examples shown here. This is always necessary if the 0th diffraction order has a disturbing residual intensity when using higher diffraction orders.
  • the light of a light modulation device, not shown here, is controllably diffracted at a light deflecting means 410.
  • the undiffracted light of the 0th order occurs here purely by way of example in the direction of the optical axis through the light deflecting means 410, which may be a controllable liquid crystal grating, for example, unbent through and is collected to avoid stray light by means of an absorption panel 480.
  • the light diffracted by the controllable light deflecting means 410 away from the optical axis then passes through a second Lichtablenkstoff 420.
  • the light obliquely on the second controllable Lichtablenkstoff 420 is purely by way of example in the direction of the optical axis through the light deflecting means 410, which may be a controllable liquid crystal grating, for example, unbent through and is collected to avoid stray light by means of an absorption panel 480.
  • the light diffracted by the controllable light deflecting means 410 away from the optical axis then passes through a second Lichtablenkstoff 420.
  • the undiffracted residual light of the 0th diffraction order is absorbed by an absorption filter 490 .
  • the light deflecting means 420 may also be a controllable liquid crystal grating or a multiplexed volume grating.
  • the composite intermediate image 270 is formed only by diffracted light and does not contain any components of a 0th diffraction order.
  • the parallel position of the two light deflecting means 410, 420 is purely schematic. You can also be tilted against each other when the beam path requires, for example, to obtain a higher maximum deflection angle.
  • the tracking of the observer window to the entrance pupil of the viewer's eye is necessary if it is smaller than the freedom of movement of the entrance pupil.
  • the movement of the entrance pupil may be 15 mm horizontally and 10 mm vertically in the case of an HMD or hocular.
  • a vertical 15mm viewer window and a horizontal 20mm viewer window may be used to avoid the tracking device.
  • reducing the observer window to 5 mm makes it possible to reduce the density of the modulator cells from 725 modulator cells / deg to approximately 240 modulator cells / deg, which corresponds to only four times the HDTV pixel density.
  • the total number of modulator cells is reduced by a factor of 9, if the modulator cell density density is reduced in both directions.
  • this also allows a considerable energy saving in the SLM itself. Therefore, it is advantageous to keep the viewer window small and track it to the entrance pupil of the viewer's eye.
  • the displacement of the observer window after the movement of the observer's eye or its entrance pupil can take place in different ways.
  • the viewer window can be moved laterally, for example.
  • the introduction of a viewer window filter level lends itself to.
  • the displacement of the observer window can be done, for example, according to this filter level.
  • the viewer window aperture mask can be actively shifted, for example in the form of a mechanically shifted aperture or in the form of a controllable liquid crystal panel. This can be controlled, for example, electrically or optically.
  • Optical addressing of a dynamically moved observer window aperture makes it possible to avoid a modulator cell matrix in the plane of the observer window aperture mask and thus disturbing diffraction effects of this modulator cell matrix in the dynamic aperture plane.
  • a tilting of the observer window in the plane of the entrance pupil of the viewer's eye corresponds to a displacement of the part of the virtual SLM represented at that time. Therefore, it should be ensured that a tilt angle of the observer window introduced in the observer window tracking is taken into account. If there is sufficient overlap of individual virtual SLM segments in the image space, so that no gaps are created in the viewer space intended for the reconstruction, an adapted encoding of the 3D scene is sufficient to track the observer window to the moving entrance pupil of the viewer's eye for the user unnoticed to introduce, ie the coding is done so that the reconstructed objects seem to maintain their position when changing the position of the virtual SLM segments.
  • Small tilting, ie for example ⁇ 1 ° deg, of the observer window can be compensated for by small displacements, ie, for example, by less than 725 pixels, of the sub-holograms generated on the SLM. In general, this is not sufficient if the introduced by the tracking angle are too large. Thus, it makes sense to compensate for the generally introduced in the tracking Wnkel tilting the viewer window. This reduces the overlap to be maintained between individual virtual SLM image space segments and allows maximization of the viewable viewer space. Shown schematically in FIG.
  • FIG. 30 is an arrangement in which a viewer window 1200 is tracked for the movement of the entrance pupil of a viewer eye 1000 by the change of the mean emission angle of the light modulation unit 260 by means of a prism angle prism which acts as a controllable light deflection means 610.
  • the arrangement for producing a composite enlarged virtual image of an SLM of a light modulation device 260 largely corresponds to FIG. 23. It is also generated here by means of the light deflection device 450, which is located close to the viewer's eye 1000, in conjunction with the magnification optical system 810.
  • controllable light deflecting means 610 which lies in a plane in the vicinity of the light modulation unit 260 may be arranged, a deflection of a modulated in the light modulation unit 260 wavefront can be made.
  • the controllable light deflecting means 610 is located in the area of the object-side focal plane of the following magnifying optics 810. It converts the deflection of the wavefront into a displacement of the observer window 1200. This can be, for example, 5 mm, which also means that the viewer's space is shifted by this amount.
  • this shift can be compensated so that the viewer does not change the apparent position of the static objects within a 3D scene.
  • a correction angle in the controllable light deflector 450 may be synchronized so that the scene remains visible at the same angle without recoding.
  • the controllable light deflection means 610 can, for example, also be designed as a controllable diffractive deflection grating. It can also be after the magnifying optics 810 and put the beam path there. For this purpose, for example, a rotatable plane-parallel plate, which can be performed achromatisch without much effort, suitable.
  • the arrangement of the controllable light deflecting means 610 behind an optionally existing beam combination optics in the light modulation device 260, as used advantageously for a two-phase coding, has the advantage that the optical path through such a beam combination optics does not change, since the angle of incidence of the beams illuminating the SLM this does not change.
  • a deflection of the SLM coded wavefront can also be used to track a viewer window, wherein the light deflection means 410 between light modulation unit 260 and magnifying optics 810 can be dispensed with, if a complex-valued SLM or also a phase-shifting SLM is designed so that the reconstruction quality of the 3D scene is maintained even when introduced oblique lighting. This is possible, for example, if several phase-shifting pixels and an iterative calculation of the optimum phase values are used. If the number of implemented tracking steps is low, for example, the phase values can be calculated in advance for the few displaced positions of the observer window.
  • a beam combining optics may also have controllable phase delay means with which changes in the phase shift can be compensated for oblique beam passage.
  • controllable phase delaying means may comprise, for example, controllable birefringent liquid crystal layers.
  • the light modulator 260 may also be imaged onto the controllable light deflection means 610.
  • the beam path according to FIG. 30 can have a short overall length and is thus advantageously applicable, for example, in an HMD.
  • a stationary device it makes sense to make a viewer window filter aperture plane or an image of the SLM on the light deflection means 610.
  • a deflecting element which operates only slightly faster than the movement of the entrance pupil of the observer eye 1000 can be used for the light deflecting means 610.
  • a refractive light deflecting means 610 may be employed, which operates like an image stabilizing prism.
  • a beam splitter and imaging optics may be present for detecting the position of the entrance pupil, which images the entrance pupil onto, for example, a CMOS camera detector with the help of which the movement of the observer eye 1000 resp his entrance pupil is determined.
  • FIG. 31 schematically shows an exemplary embodiment of how, with the aid of a microlens arrangement 290, the fill factor of an SLM 200 can be increased and thus its energy efficiency can be increased.
  • edge effects which can not be suppressed by a black mask, are minimized.
  • Such edge effects arise, for example, by stray fields at the edge of the active region of the modulator cells or in the region between these regions. The stray fields falsify the desired phases and / or intensity values.
  • the reflective SLM 200 is illuminated by the flat front illumination 150 having a planar wavefront 140.
  • the individual lenses of the microlens array 290 concentrate the light onto the reflective modulator cells of the SLM 200 so that the spaces between these modulator cells receive as little as possible light and thus can not generate disturbing stray light.
  • the light modulated by the individual modulator cells is widened by the lenses of the microlens array 290 and passes through the flat front illumination 150 as a modulated wave front 240.
  • the individual lenses of the microlens array 290 are each associated with a modulator cell of the SLM 200.
  • the raster of the microlens array 290 may coincide with the raster of the modulator cells of the SLM 200. Both components should be adjusted to each other so that the foci of the individual microlenses each lie in the center of the associated microlenses. By this arrangement, the illumination of the edges of the SLM pixels is minimized or completely avoided.
  • the transition region between two adjacent pixels is not exactly defined in phase, ie it has a transition region of adjacent phase values. These, the Reconstruction disturbing areas are not illuminated.
  • an amplitude apodization function can be implemented by means of the intensity distribution in the foci of the microlenses.
  • an amplitude mask can additionally be used in addition, so that, for example, a cosine-shaped or gray-shaped amplitude distribution of individual SLM pixels is effectively realized.
  • filter functions such as the Kaiser-Bessel window, reduce the intensities occurring in higher diffraction orders of the SLM.
  • the microlens array 290 may additionally have an apodisation mask in order to suppress as much as possible higher orders of diffraction which are formed by the grid of the modulator cells.
  • Apodization can also be achieved in that the foci of the microlenses are not exactly in the plane of the modulator cells, but are slightly out of alignment with them. With a slight defocusing, an adaptation of the described effects of the associated microlens to the size of the active surface can take place.
  • the lens shape can be optimized with regard to its optical transfer function. It can also be flat and have a gradient index profile.
  • a microlens array may also be located in the light path between a backlight and the modulator cells to concentrate the unmodulated backlight light onto the active area of the modulator cells.
  • An apodisation mask can also be used without the use of microlenses.
  • microlenses can be used to increase the effective transmission.
  • FIG. 32 illustrates the use of the microlens array 290 in conjunction with a beam combining optic consisting of a patterned retarder plate 320, a retarder plate 330, and a polarizer 310.
  • a beam waist is present in each case in the focal plane of the microlenses of the microlens array 290.
  • the phase is flat in this beam waist.
  • the structured retarder 320 is placed on the substrate of the microlens array 290, for example, to impose orthogonal polarizations on alternate modulator columns.
  • the front illumination 150 illuminates the microlens array with an unmodulated wavefront 140.
  • the light of a light source not shown here, for example, zigzag, ie at an angle of 45 ° deg, for example. It may, for example, a very oblique illumination of a volume grid, for example below 84.26 ° deg as Front lighting unit can be used, for example, an exit angle near 0 ° deg realized. If the volume grating is sufficiently thick, for example, a slightly oblique illumination of the SLM and the low angular acceptance can be used to separate the back and forth path when illuminating the reflective SLM.
  • the unmodulated wavefront 140 after a first pass through the patterned retarder plate 320, then modulated on the reflective modulator cells and its second pass through the patterned retarder plate 320, exits the front side illumination 150 as a modulated wavefront 240 with orthogonally polarized columns. These orthogonally polarized columns are merged in the unstructured retardation plate 320, respectively.
  • the polarization filter 310 Behind the retardation plate 320, the polarization filter 310 is arranged, which allows the projections of the orthogonal polarizations to pass below 45 ° deg. Behind the polarization filter 310 is the modulated complex-valued wavefront 350, which includes the holographically encoded 3D scene.
  • the composition of the image space can also be achieved without active elements.
  • 5 LCOS SLMs can be used to be stacked vertically in virtual image space. These can display RGB content in chronological succession. It is also possible to operate three units, each consisting of 5 LCOS for example, as RGB LCOS units. That 15 LCOS can also be used to colorize a large range of observers.
  • the approach of the multiplex can also be extended to sub-colors. For example, two SLMs can be illuminated with different blue wavelengths, which differ, for example, only by 5 nm.
  • An SLM then represents only a portion of the pixels of the 3D scene at a time, with another SLM or other SLMs representing a different portion of the pixels in the common viewer area to reduce speckle and interference between adjacent pixels.
  • the thinning serves to reduce the coherent crosstalk between neighboring points.
  • this form of thinning does not require a wavelength offset in each embodiment.
  • SLMs can be illuminated with the same wavelength, which come from different lasers or generally different light sources.
  • volume gratings can be used to obtain a composition of the modulator images via angle multiplexing or polarization multiplexing, or here in the case of a thinning out, of an interaction of the image space.
  • polarization multiplex there are also a number of classical optical components. These are, for example, polarization beam splitter cubes, polarization beam splitter plates, wire grid polarizers and volume gratings which have defined diffraction angles.
  • Another embodiment of a compact setup of an HMD may include a combination of a magnification system with a field lens in which the magnification of the spatial light modulator is low so that the image of the spatial light modulator can be virtually displayed close to the viewer.
  • a tracking device is not required.
  • the virtual mapping of the low-magnification complex-valued SLM and closely spaced from the eye is a 2D coded sub-hologram preferred embodiment.
  • the light deflecting device may in another embodiment comprise a light deflecting element, e.g. contains a fixed predetermined number refractive layers, with which a coming from the spatial light modulator modulated wavefront is repeatedly juxtaposed in segments.
  • the composite image meets directly or via another image on a shutter display whose openings are transparent to control. Via the respective segments of the multiple image for the solid angle regions to be displayed, the light which comes from the SLM and which in each case has the correct coding for the current segment is forwarded in the predeterminable sequence by means of controlled shutter segments in the direction of the eye pupil.
  • the light deflection device can be combined with a lens with field lens function to form a beam combination optics.
  • the holographic display according to the invention is applicable not only in an HMD, but in other display devices for 3D representation.
  • the described and illustrated embodiments of a holographic display can be executed in the HMD for both eyes of the observer in the display device.
  • the tracking device can be used in particular at very high magnification of the virtual SLM, e.g. with controllable liquid crystal grids, controllable prism cells based on electrowetting (EW), controllable liquid crystal prism cells, controllable extended prism cells, or even in a deeper construction, with scanning mirrors.
  • EW electrowetting
  • the additional color filters for producing the colored reconstruction in a spatial light modulator which may for example be an LCOS modulator, reduce the frame rate to 1/3, but increase the number of modulator cells required on the SLM by a factor of 3. Therefore, it may make sense , a separate SLM for each color RGB, ie to use an R-SLM, a G-SLM and a B-SLM.
  • These three separate SLMs may e.g. with a refractive color combination cube (X-Cube).
  • holographic optical elements HOE
  • they should be used in combination for both LCOS variants, so that an HMD can be lightweight and compact.
  • reflective and katadioptrisch configured components in HMD's for a compact design can be used.
  • two SLMs ie, for example, two LCOS SLMs or two MEMS lifting mirror SLMs, for the time sequential display of more than two colors.
  • the chronological sequence can be, for example, R_SLM1, G_SLM2, B_SLM1, R_SLM2, G_SLM1, B_SLM2, R_SLM1, etc. This can be a compromise between existing refresh rate and build depth.
  • the time-sequential lighting should be designed in such a way that every SLM can be illuminated with all colors.
  • one active and one or two passive controllable layers can be used in the light deflection device.
  • the SLM modulated wavefront can be deflected from a liquid crystal grating into the field lens plane one-dimensionally with the sequence 1, 2, 3, 4 and 5, for example, the index 3 does not lead to a deflection, i. no phase grating is inscribed in the liquid crystal grating.
  • a volume grating following a predetermined distance can now deflect wavefronts, for example, which have angles of incidence, which correspond to indices 1 to 5 in the field lens plane, in the direction of the eye.
  • the volume grating can simultaneously realize the function of the field lens. This allows reducing the necessary components within the HMD.
  • the light deflection device has only one switchable light deflection element.
  • the function of the controllable or switchable light deflection can also be met by PDLC gratings or other switchable elements.
  • the SLM can also be illuminated with a wavefront that already contains a field lens function. These wave fields may be concave or convexly curved. You can illuminate the SLM so that the 0th diffraction order of the wavefront-generating elements or the diffracted at the modulator cell structure of the SLM light does not contribute to the image, so that stray light is avoided.
  • scattering elements with switchable or controllable scattering characteristics can be provided in order to be able to perform a switchover from a 3D to a 2D representation.
  • the SLM or segments of the SLM and / or a virtual image of the multiple imaging of the SLM with the scattering plane should lie in almost one plane.
  • the SLM can be represented five times as a segment in the field lens plane.
  • the desired shutter opening is in each case enabled at one time, the SLM being coded with the information for the holographic reconstruction associated with this segment.
  • a shutter display is a display which has only a single extended switchable surface or a small number of such surfaces.
  • the multiplied SLM may fill the frustum in whole or in part, and the frustum may have side-by-side or three-dimensional representations in three-dimensional or 2D / 3D representation.
  • each SLM should represent only 50% of an object point cloud in a 3D scene to be reconstructed.
  • the use of multiple narrowband wavelength ranges for each base color, e.g. B. R1 G1 B1 and R2G2B2, or two mutually orthogonal polarization directions or a combination of both variants can be used here.
  • the thinned-out object point clouds can be displayed nested one inside the other.
  • the overlay may be incoherent, partially coherent or coherent, i. H. interference-capable.
  • the 1 D scattering necessary for the generation of the observer window can be passively or actively introduced.
  • Active scatterers such as liquid crystal gratings, i.
  • polarization gratings capable of producing variable grating periods and superposition of different grating periods are preferred because speckle in the observer window direction can be sufficiently reduced even with the use of very coherent light sources.
  • the electrodes of liquid crystal polarizing gratings which have liquid crystals rotated in the plane of the grating and corresponding to rotated birefringent segments, can be subjected to voltages that fluctuate sufficiently rapidly and statistically, so that a scattering function is realized.
  • the radiation characteristic of the scattering function can be adjusted over the existing spatial frequencies of the synthetic phase grating, i. be optimized.
  • Active scatterers can also be used in the light source plane to adjust the spatial coherence.
  • switchable or controllable liquid crystal scatterers which can be connected in series, for example. It is also possible to use liquid crystal scatterers, which realize a fast temporal fluctuation of the phase in only one liquid crystal plane.
  • Flat backlight, frontlight, and edge lighting devices can be implemented in the HMD.
  • control means are provided in the display device, with which all switchable or controllable elements are controlled and, if necessary, are synchronized with each other.
  • components can be grouped together as separate modules to reduce the weight of an HMD.
  • an electronics, light source and / or battery box can be attached separately to the viewer bar.
  • the display embodiments described are applicable in further, not mentioned here holographic and / or autostereoscopic display devices.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anzeigegerät, insbesondere ein Head-Mounted Display oder Hokular, mit einem räumlichen Lichtmodulator (200) und einer steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung (400) zum Erzeugen einer aus Segmenten zusammengesetzten Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200), wobei die Mehrfachabbildung mindestens mit einer vorgebbaren Anzahl von Segmenten erfolgt, welche die Größe eines Sichtbarkeitsbereiches bestimmt, innerhalb dem eine im räumlichen Lichtmodulator holographisch kodierte 3D Szene zum Betrachten für ein Betrachterauge (1000) rekonstruierbar ist.

Description

ANZEIGEGERÄT, INSBESONDERE EIN HEAD -MOUNTED DISPLAY,
BASIEREND AUF ZEITLICHEN UND RÄUMLICHEN MULTIPLEXING VON
HOLOGRAMMKACHELN
Die Erfindung betrifft ein Anzeigegerät, bei welchem eine holographische Rekonstruktion mit einem mehrfach zusammengesetzten Bild eines räumlichen Lichtmodulators (spatial light modulator, SLM) in einem relativ großen räumlichen Sichtbarkeitsbereich erzeugt werden kann.
Allgemein dienen visuelle Anzeige- bzw. Ausgabegeräte dem Betrachten von z.B. zweidimensionalen Videodaten, computererzeugte Stereobilder oder holographisch erzeugte Daten einer 3D Szene.
Neben Anzeigegeräte, bei denen ein erzeugtes Bild oder eine rekonstruierte 3D-Szene direkt ohne optische Vergrößerung als reelles Bild wahrgenommen werden kann, sind eine Vielzahl von Anzeigegeräten bekannt, bei denen ein virtuell erzeugtes Bild betrachtet wird. Solche Anzeigegeräte sind auch als Virtual Image Display (VID) bekannt.
Häufig werden Anzeigegeräte mit einer virtuellen Bilderzeugung in Displayeinrichtungen verwendet, die sich in unmittelbarer Augennähe befinden (Near Eye Display oder Near To Eye Display). Solche Anzeigegeräte sind beispielsweise als Head-Mounted Displays (HMD) oder Heimet Mounted Display (HMD) bekannt. Sie werden auch als Datenbrillen (Data Glasses) bezeichnet.
Head-Mounted Displays (HMD) sind Display-Einrichtungen, die am Kopf des Benutzers ähnlich einer Brille oder eines Helms (Heimet Mounted Display) getragen werden. Sie können für ein (monocular HMD) oder beide (binocular HMD) Betrachteraugen ausgelegt sein.
Die Erfindung ist nicht auf reine Head-Mounted Displays beschränkt. Sie bezieht sich auch auf ortsfeste oder transportable Displayeinrichtungen, bei denen der Betrachter über optische Vergrößerungsmittel, welche sich in Augennähe befinden (Okular), die vergrößerte Darstellung mindestens eines Display bzw. die vergrößerte Rekonstruktion einer durch eine Displayeinrichtung rekonstruierten dreidimensionalen Szene betrachten kann. Ein solches als elektronischer Guckkasten ausgebildetes holographisches Anzeigegerät soll im Folgenden als Hokular bezeichnet werden. Gegenüber einem HMD bestehen bei einem solchen Gerät nicht so große Anforderungen an die Baugröße und das Gewicht. Sie können vorteilhaft überall dort eingesetzt werden, wo 3D-Datensätze mit einem großen Umfang der räumlichen Tiefe ermüdungsfrei und über größere Zeiträume betrachtet werden sollen. Dies ist beispielsweise in der Medizintechnik bei Betrachten von räumlichen Computertomographie-, Magnetresonanztomographie-, Konfokalmikroskopie- oder Ultraschalldaten der Fall.
Die Erfindung lässt sich auch auf Anzeigegeräte anwenden, die in Blickrichtung eines Anwenders als Frontsichtdisplay liegen und bei denen ebenfalls ein vergrößertes virtuelles oder reelles Bild erzeugt wird (Head-Up-Display).
Die Erfindung lässt sich auch auf solche Anzeigegeräte anwenden, die ein vergrößertes reelles Bild erzeugen. Wenn nicht speziell darauf hingewiesen wird, gelten die folgenden Ausführungen allgemein für Anzeigegeräte mit einer virtuellen Bilderzeugung wie Head-Mounted Displays oder Hokular-Geräte. Der Einfachheit halber wird jedoch nur die Bezeichnung HMD verwendet, wobei Geräte mit einer vergrößerten reellen Bilderzeugung nicht ausgeschlossen werden sollen. Bei einem HMD kann die normale Umgebung vom Benutzer vollständig abgeschirmt sein, so dass von ihm nur die angezeigte Information als virtuelle Realität (Virtual reality, VR) wahrgenommen wird. In anderen Geräten wird die anzuzeigende Information mit dem natürlichen Umgebungseindruck z.B. über halbdurchlässige Spiegel überlagert, so dass eine erweiterte Realität (augmented reality, AR) entsteht. Bei einem Hokular-Gerät kann die natürliche Umgebung beispielsweise ein Mikroskopbild eines realen Objektes beinhalten, welches durch einen zusätzlich vorhandenen Mikroskopstrahlengang erzeugt wird. Einige Geräte erlauben es, über steuerbare Mittel den Grad der Überlagerung zu beeinflussen. Vollständig abgeschirmte Geräte können auch über mindestens eine Kamera verfügen, die in Augennähe positioniert ist. Durch Überlagerung des Kamerabildes mit der anzuzeigenden Information lassen sich so ebenfalls AR-Anwendungen realisieren.
Head-Mounted Displays sind durch Druckschriften in verschiedenen Ausführungsformen - z.B. brillenähnlich oder helmartig - bekannt geworden.
Eine HMD-Einrichtung zur stereoskopischen Darstellen von 3D Szenen ist z.B. aus der Druckschrift US 2009/0180194 A1 bekannt. Eine als HMD ausgeführte Display-Einrichtung zur holographischen Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen ist beispielsweise aus der WO 2008/071588 A1 der Anmelderin bekannt. Mit einem derartigen HMD kann eine 3D Szene nur in einem kleinen räumlichen Sichtbarkeitsbereich rekonstruiert werden. Das dabei aufgespannte Betrachterfenster (viewing window, VW, sweet spot) hat nur etwa den Durchmesser der Augenpupille. Das Betrachterfenster ist dabei meist keine reelle Blende sondern wird nur virtuell erzeugt.
Bei einer eindimensionalen Kodierung der holographischen Information in den SLM entsteht ein Betrachterfenster mit einer inkohärenten und einer kohärenten Richtung. Die kohärente Richtung wird dabei durch den Abstand zweier Beugungsordnungen definiert, die durch das effektive Raster der Modulatorzellen entstehen. Das effektive Raster ist das für das Betrachterauge sichtbare Raster des SLM. Die holographische Rekonstruktion kann zwischen den beiden ausgewählten Beugungsordnungen betrachtet werden. Ihr Abstand muss größer als der Pupillendurchmesser des Betrachterauges sein, damit Doppelbilder vermieden werden. Bei einer vertikalen Kodierung entstehen die Beugungsordnungen in horizontaler Richtung. Die Größe des Betrachterfensters in inkohärenter Richtung wird durch das Winkelspektrum der Beleuchtung festgelegt.
Um ein aktives Nachführen des Betrachterfensters zu vermeiden, sollte dieses deutlich größer als di Augenpupille sein, beispielsweise 15mm x 15mm. Dies erfordert einen kleinen Rasterabstand der im System verwendeten räumlichen Lichtmodulatoren, um die dafür erforderlichen großen Beugungswinkel erzeugen zu können. Um gleichzeitig ein möglichst großes Gesichtsfeld zu erhalten, ist ein ausgedehnter Lichtmodulator hoher Auflösung erforderlich. Die Augenpupille des Betrachters soll im Betrachterfenster eines holographischen HMD normalerweise zwischen zwei Beugungsordnungen liegen.
Um die zu erzeugende Rekonstruktion in einem vorgegebenen Abstand und mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel mit der Augenauflösung in guter Qualität und Helligkeit sehen zu können, sollte ein HMD einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) mit einer sehr großen Anzahl von Modulatorzellen (Modulatorbildpunkten, Pixel) verwenden. Dies gilt insbesondere, wenn die Modulatorzellen des SLM nur eindimensional kodiert werden sollen. Für den Einsatz in HMDs verwendbare kleine SLM weisen z.B. eine Modulatorzellenmatrix mit < 3 * 10Λ6 Modulatorzellen auf. Zum Erzeugen eines größeren räumlichen Sichtbarkeitsbereichs für die zu erzeugende Rekonstruktion sollte ein SLM eine Modulatorzellenpunktmatrix jedoch mit > 20 * 10Λ6 Modulatorzellen aufweisen. Deshalb besteht ein Problem darin, ein HMD mit einer kleinen Modulatorzellenzahl in der Modulatorzellenmatrix so zu modifizieren, dass eine holographische Rekonstruktion mit hoher Auflösung erzeugt werden kann.
Bei holographischen HMD-Einrichtungen besteht weiterhin das Problem, einen möglichst großen räumlichen Sichtbarkeitsbereich ähnlich dem in einem holographischen Direktsichtdisplay zu erzeugen, um eine möglichst große Rekonstruktion in einer im Verhältnis dazu passenden Entfernung mit der realen Umgebung zu überlagern.
Der räumliche Sichtbarkeitsbereich (volume of view, VOV), der sich in den Betrachterraum ausdehnt, kann als Pyramidenstumpf mit einer Ebene an der Spitze definiert werden (Frustum), die ein kleines Betrachterfenster darstellt, das in der Eintrittspupille der Betrachteraugen erzeugt werden soll. Es enthält eine weitere Ebene, deren Abmessungen und deren Abstand zum Betrachterauge die horizontalen und vertikalen Sichtwinkel definieren. Diese Ebene kann zum Beispiel ein vergrößertes virtuelles Bild eines SLM sein, mit dem eine Rekonstruktion einer holographisch kodierten dreidimensionalen Szene erfolgt. Der räumliche Sichtbarkeitsbereich dehnt sich vom Betrachterauge ins Unendliche aus. Der Sichtbarkeitsbereich muss dabei nicht zwangsläufig einen rechteckigen Querschnitt besitzen. Je nach Form der zum Einsatz kommenden SLM oder der Form begrenzender Gesichtsfeldblenden, kann er auch einen anderen Querschnitt aufweisen und z. B. kreisförmig, elliptisch oder sechseckig sein.
Das Ortsbandbreiteprodukt (space-bandwidth product, SBP) wird bei holographischen Displays und demzufolge auch bei einem holographischen HMD generell durch die Größe eines Betrachterfensters (viewing window, VW) definiert und sollte auf ein Minimum reduziert sein. Ist das Betrachterfenster ebenso groß wie die Eintrittspupille (EP) des Auges, so ist das Minimum des SBP erreicht, welches noch eine volle Objektauflösung erlaubt. Eine Vergrößerung des VW über diesen Wert hinaus erhöht zwar das SBP, weist jedoch den Vorteil auf, dass das VW nicht der Augenbewegung nachgeführt werden muss.
Soll ein räumlicher Lichtmodulator eindimensional mit komplexen Werten kodiert werden, dann werden bei einer Größe des Betrachterfensters von z.B. VW = 15 mm für die kohärente Richtung über 700 Modulatorzellen je Winkelgrad (° deg), für die inkohärente Richtung dagegen nicht mehr als 60 Modulatorzellen je ° deg benötigt.
Ein HMD zum Rekonstruieren von großen 3D Szenen sollte von diesen Merkmalen z.B. wenigstens einen großen räumlichen Sichtbarkeitsbereich, einen großen Kontrast und einen großen Betrachterabstand zu den Betrachteraugen aufweisen können. Das Betrachterfenster sollte wenigstens so groß sein, dass die Augenpupillen des Betrachters noch einen Bewegungsspielraum haben, ohne dass eine Nachführeinrichtung für das Betrachterauge im Display aktiviert werden muss.
Der räumliche Sichtbarkeitsbereich sollte einen Öffnungswinkel aufweisen, in dem eine im HMD zu erzeugende Rekonstruktion mit der realen Umwelt mit einem verhältnismäßig großen Kontrast überlagert werden kann. Für den Betrachter soll sich damit eine dreidimensionale Darstellung von 3D Szenen ergeben, wie sie mit einem holographischen Direktsichtdisplay realisiert werden könnte.
Um einen möglichst hoch aufgelösten räumlichen Lichtmodulator zu erhalten, ist bekannt, eine solche Modulatorfläche durch räumliches möglichst lückenloses Aneinanderfügen von mehreren räumlichen Lichtmodulatoren geringerer Auflösung in ein oder zwei Richtungen zu erzeugen. Dies geschieht meist durch eine vergrößerte Abbildung der räumlichen Lichtmodulatoren. Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass sie ein großes Bauvolumen erfordert. Sie ist deshalb für HMD's weniger geeignet.
Bei einem zweiten Verfahren werden die Bilder eines gering aufgelösten räumlichen Lichtmodulators in zeitlicher Abfolge in ein oder zwei Richtungen aneinandergereiht. Dabei werden häufig mechanische Ablenkmittel wie Kipp- oder Polygonspiegel eingesetzt. Solche mechanischen Ablenkmittel benötigen ebenfalls ein großes Bauvolumen und können störende Geräusche erzeugen, weswegen auch sie für HMD's wenig geeignet sind. In stationären Geräten sind sie dagegen eher anwendbar. In der Druckschrift WO 00/28369 A2 wird vorgeschlagen, ein solches Aneinanderreihen mithilfe von schaltbaren diffraktiven Braggittern zu realisieren. Bei diesen schaltbaren Gittern wird bei der Herstellung meist durch Einbelichten eines Hologramms ein festes Gitter in einer Mischung aus Flüssigkristallen und Polymeren auspolymerisiert. Durch Änderung einer Spannung an einer Elektrodenstruktur kann die Brechzahl der Flüssigkristalle so geändert werden, das Licht durch das Gitter ungehindert durchtritt, oder an diesem gebeugt und damit abgelenkt wird. Nachteilig ist hier, dass auf Grund der festen Gitterstruktur nur ein Beugungswinkel erzeugt werden kann. Dieser Winkel ist zudem von der Wellenlänge abhängig. Will man zum Erzeugen einer großen Modulatorfläche hoher Auflösung mehrere Modulatorbilder aneinander setzen, muss für jedes Teilbild ein separates Gitter in einem Stapel aneinander gefügt werden. Dabei wird zu jedem Zeitpunkt im Stapel jeweils nur ein Gitter aktiviert, welches das Licht in die gewünschte Richtung beugt. Durch jedes nicht aktivierte Gitter tritt das Licht ungehindert hindurch. Für ein Farbdisplay wird für jede Farbkomponente Rot, Grün und Blau auf Grund der Wellenlängenabhängigkeit des Beugungswinkels für jedes zu erzeugende Abbild des Modulators ein eigenes schaltbares Ablenkgitter benötigt, also drei pro Teilbild. Da sich solche schaltbaren Beugungsgitter nicht mit einer Beugungseffektivität von 100% herstellen lassen, kann in der Regel das ungebeugte Licht, welches im ausgeschalteten Zustand aller Gitter durch den Stapel tritt, nicht zur Bilderzeugung verwendet werden.
Für die eindimensionale Aneinanderreihung dreier Bilder wird demnach bereits ein Stapel von neun schaltbaren Gittern mit jeweils von einander abweichender fester Gitterkonstante benötigt.
Solche dicken Gitterstapel sind in der Herstellung aufwendig und in ihrer Anwendung problematisch, da an jeder optischen Grenzschicht Reflexionen auftreten. Da vom Licht viele transparente Elektrodenstrukturen durchlaufen werden müssen, wird außerdem ein erheblicher Lichtanteil absorbiert bzw. gestreut. Beides mindert die Intensität und kann besonders durch auftretende Mehrfachreflexionen zu unerwünschtem Streulicht und damit einer Kontrastverschlechterung führen.
Die erfinderische Lösung geht davon aus, dass zum Erzeugen von großräumigen Szenen ein großer räumlicher Sichtbarkeitsbereich (Frustum) realisiert werden soll, aber nur ein räumlicher Lichtmodulator mit einer kleinen Anzahl von Modulatorzellen zur Verfügung steht.
Unter einem räumlichen Lichtmodulator SLM soll dabei eine flächenhaft ausgedehnte Vorrichtung verstanden werden, die optische Eigenschaften von Licht innerhalb der Modulatorfläche örtlich steuerbar ändern kann, um damit eine Hologramminformation kodieren zu können. Je nach Kodierart kann dazu nur die Amplitude, nur die Phase oder die Amplitude und Phase gleichzeitig des Lichtes beeinflusst werden. Dabei braucht die Beeinflussung von Amplitude und/oder Phase nicht direkt erfolgen, sondern kann mittels zusätzlicher Komponenten, beispielsweise Polarisatoren, über andere Eigenschaften des Lichtes, z. B. Polarisation, ausgeführt werden. Im Allgemeinen wird ein räumlicher Lichtmodulator aus einer flächenhaften Anordnung einzeln steuerbarer Modulatorzellen (Bildpunkte, Pixel) gebildet. Die Adressierung der Modulatorzellen kann beispielsweise elektrisch oder optisch erfolgen. Die Modulatorzellen können selbst Licht steuerbar erzeugen oder transmissiv oder reflektiv Licht steuerbar beeinflussen. Dabei kann auch eine Wellenlängenkonversion des zu steuernden Lichtes erfolgen.
Ein räumlicher Lichtmodulator kann auch durch eine eindimensional scannende Einrichtung eines eindimensionalen räumlichen Lichtmodulators, beispielsweise eines eindimensionalen diffraktiven Lichtventils (Gräting Light Valve, GLV), oder durch eine zweidimensional scannende Einrichtung eines punktförmigen Lichtmodulators, beispielsweise einer Laserlichtquelle, gebildet werden.
Um einen großen Öffnungswinkel und damit eine große numerische Apertur (NA) zum Betrachten der rekonstruierten Szene erzeugen zu können, wird erfindungsgemäß mindestens ein räumlicher Lichtmodulator mehrfach nebeneinander und/oder übereinander abgebildet. Dies erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die so hoch ist, dass diese zeitsequentielle Zusammensetzung des räumlichen Sichtbarkeitsbereiches vom Betrachter nicht wahrgenommen wird.
Die Mehrfachabbildungen können sich jedoch auch teilweise oder vollständig überlagern.
Es soll ein holographisches Display geschaffen werden, dass für eine Head-Mounted Display- Einrichtung bzw. ein Hokular das Vergrößern eines räumlichen Lichtmodulators und einer darin kodierten 3D Szene ausführen kann, wobei Linsen mit einer Feldlinsen- bzw. Lupenfunktion im Strahlenverlauf zweckmäßig real oder mit einem steuerbaren optischen Mittel anwendbar sind. Der räumliche Lichtmodulator soll in einer Transformationsebene entsprechend der Darstellungsweise eines holographischen Direktsichtdisplays liegen oder in eine der Transformationsebenen abbildbar sein. Allgemein sind Abbildungssysteme einsetzbar die sowohl refraktive, diffraktive als auch reflektive Abbildungsmittel enthalten können.
Das Betrachterfenster soll sich in der Ebene der Augenpupille befinden und dort nicht mit der Abbildung des SLM zusammenfallen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Das Anzeigegerät, insbesondere ein Head mounted Display oder Hokular, enthält einen räumlichen Lichtmodulator, eine Lichtablenk-Einrichtung und wenigstens ein Abbildungssystem, wobei der räumliche Lichtmodulator mit mindestens in eine Richtung kohärenten Wellenfronten beleuchtbar ist, wobei die Lichtablenk-Einrichtung so ausgestaltet ist, dass steuerbar in einer zeitlichen Abfolge mindestens eindimensional aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators erzeugbar ist, wobei die segmentierte Mehrfachabbildung mindestens mit einer vorgebbaren Anzahl von Segmenten der Mehrfachabbildung erfolgt, welche die Größe eines Sichtbarkeitsbereiches bestimmt, innerhalb dem eine im räumlichen Lichtmodulator holographisch kodierte 3D Szene zum Betrachten für ein Betrachterauge rekonstruierbar ist. Der in einer Mehrfachabbildung vervielfachte SLM befindet sich z. B. in der Ebene eines Abbildungssystems mit Feldlinsenfunktion, deren Fokuspunkt im Auge des Betrachters liegt. Die Fokus-Ebene ist die Fourier- Ebene des SLM, in die auch die Lichtquelle durch die Abbildungsoptik mit Feldlinsenfunktion abgebildet wird. In dieser Ebene entsteht die Rücktransformation eines Hologramms, das auf dem SLM kodiert ist, in mehreren Beugungsordnungen. Der Bereich zwischen zwei Beugungsordnungen wird als Betrachterfenster ausgewählt. Auf das Betrachterauge gelangt die als Hologramm kodierte Wellenfront, die eine 3D Szene aussenden würde. Der Betrachter sieht damit die Rekonstruktion der 3D Szene im Rekonstruktionsraum, der vom Betrachterfenster und dem virtuell vergrößerten SLM aufgespannt wird. Wo das Objekt genau zu sehen ist, also vor oder hinter oder um den SLM herum, hängt von der Tiefenkodierung der 3D Szene im Hologramm ab. Die Linse mit Feldlinsenfunktion kann dabei allgemein als eine Abbildungsoptik ausgestaltet werden, die auch mehrere Abbildungsmittel enthält. Die Abbildungseigenschaften können dabei auch variabel oder steuerbar ausgestaltet werden. Diese Abbildungsoptik kann vorteilhaft weitere Lichtbeeinflussungsmittel wie beispielsweise Blenden enthalten. Dabei können Blenden beispielsweise den Einfluss von Bildfehlern verringern oder höhere Beugungsordnungen unterdrücken.
In einer bevorzugte Ausgestaltungsvariante des Anzeigegerätes zum Erzeugen eines vergrößerten Bildes ist also die steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung so ausgestaltet ist, dass eine aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators in der Ebene einer Feldlinse erzeug bar ist. Die Darstellung der Segmente kann nach dem Durchgang der kohärenten Wellenfronten durch die steuerbare Lichtablenk-Einrichtung, die beispielsweise steuerbare Schichten als Lichtablenkmittel aufweisen kann, mit einer Anzahl erfolgen, welche von der Anzahl aufzuspannender Sichtkegel- Segmente zum Darstellen von Ansichten der 3D Szene und/oder der in einem Sichtkegel vorgebbaren Größe abhängig ist. Steuerbare Lichtablenkmittel zum Segmentieren des räumlichen Lichtmodulators sind örtlich und zeitlich nacheinander variierbar oder gleichzeitig steuerbar, wobei der räumliche Lichtmodulator in einem Sichtkegel virtuell vergrößerbar erzeugbar ist. Die Modulatorebene ist entsprechend der Anzahl der Segmente des gescannten SLM im Sichtkegel vergrößerbar, in dem die virtuellen Bilder des SLM vergrößert erzeugbar sind.
Der räumliche Sichtbarkeitsbereich wird durch mehrere Segmente gebildet, die jeweils von einer virtuellen Abbildung des SLM aufgespannt werden. Die virtuelle Feldlinse und das virtuelle Gesamtbild aller Teilabbildungen des SLM befinden sich in einer Ebene des räumlichen Sichtbarkeitsbereiches, die beispielsweise der eines Direktsichtdisplays entspricht.
Die Feldlinse ist eine Sammellinse, die ein virtuelles Betrachterfenster zwischen räumlich getrennt vorliegenden Beugungsordnungen erzeugt, d.h. zwischen räumlich getrennt vorliegenden Lichtquellenbildern. Sie liegt in der Ebene eines virtuellen SLM-Bildes als virtuelle Feldlinse und damit als virtuelle Phasenfunktion vor und besitzt eine virtuelle Brennweite, die zumindest annähernd dem Abstand des virtuellen SLM-Bildes entspricht.
Diese notwendige virtuelle Phasenfunktion kann durch entsprechende Auslegung der Abbildungsoptik realisiert werden, ohne dass eine reelle Sammellinse direkt auf dem SLM, bzw. in seiner unmittelbaren Nähe liegen muss. Es kann jedoch auch eine reelle Sammellinse direkt in der Nähe des SLM angeordnet werden und mit diesem in die Fläche des virtuellen SLM-Bildes abgebildet werden. Dies entspricht im Wesentlichen der Auslegung eines nicht holographisch arbeitenden HMD, das auf maximale Helligkeit in der Eintrittspupille des Betrachterauges ausgelegt ist, d.h. das alles Licht des SLM in der Eintrittspupille sammelt. Die Brennweite einer virtuell angenommenen Feldlinse eines solchen HMD ist nahezu gleich dem virtuellen Betrachterabstand.
Die steuerbare Lichtablenk-Einrichtung ist derart ausgebildet, dass ein kleines Objekt, z.B. ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator, der mit ebenen kohärenten Wellenfronten beleuchtet wird, mehrfach mindestens eindimensional in Segmenten abbildbar ist. Die einzelnen Segmente sollten sich möglichst lückenlos anschließen oder sich gegenseitig teilweise überlagern, wobei die Überlagerungen bei der Kodierung der Hologramminformation berücksichtigt werden kann. Vorteilhafter Weise erfolgen die Abbildungen der einzelnen Modulatorsegmente vergrößert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird also die Lichtablenk-Einrichtung in dem Anzeigegerät so ausgestaltet, dass sich die Segmente des mehrfachen virtuellen Bildes des räumlichen Lichtmodulators im Wesentlichen lückenlos anschließen oder sich gegenseitig teilweise überlagern, wobei die Bereiche von Überlagerungen bei der Kodierung der Hologramminformation berücksichtigbar sind.
Mit im Strahlenverlauf nachfolgenden Abbildungsmitteln kann die 3D Darstellung weiter vergrößert abgebildet werden. Im Anzeigegerät zum Erzeugen eines vergrößerten Bildes, können demnach zusätzlichen Abbildungsmittel im Strahlenverlauf vorgesehen sein, mit denen die von der steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung erzeugte segmentierte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators weiter vergrößert abbildbar ist.
Die zusammengesetzte virtuelle Abbildung des SLM liegt in einer Ebene in Blickrichtung und begrenzt den Sichtwinkelbereich der 3D-Rekonstruktion. Mit dem Betrachterauge wird so ein Raumvolumen (VOV, volume of view) definiert, welches den räumlichen Sichtbarkeitsbereich darstellt. Dabei ist es vorteilhaft, nur solche Teile der 3D-Szene zu rekonstruieren, die sich in diesem Sichtbarkeitsbereich befinden.
Die Erfindung geht davon aus, dass eine von einem, bevorzugt reflektiv ausgestalteten, räumlichen Lichtmodulator SLM ausgesandte kohärente Wellenfront ein Segment des SLM in einer Hauptebene einer Linse mit einer Feldlinsenfunktion darstellt. Durch eine Lichtablenk-Einrichtung ist der SLM zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig mehrfach als Segmente innerhalb der Feldlinse darstellbar. Mit den zeitlich nacheinander oder gleichzeitig darstellbaren Segmenten sind einzelne Teile des räumlichen Sichtbarkeitsbereiches zeitlich nacheinander oder gleichzeitig erzeugbar. Im Fokus der virtuellen Feldlinse befinden sich das Betrachterauge und das Betrachterfenster.
Das Betrachterfenster ist Teil der Ebene, die der Fresnel-Transformierten der virtuellen Mehrfachabbildung des SLM entspricht. Mit einer steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung ist der SLM mit der kohärenten Wellenfront beispielsweise in der Ebene des Fokussierungssystems, bevorzugt in einer Feldlinsenebene des Fokussierungssystems, mehrfach nebeneinander abbildbar. Das Fokussierungssystem kann in einer weiteren Ausführungsform wenigstens eine Linse mit einer Vergrößerungsfunktion aufweisen.
Die steuerbare Lichtablenk-Einrichtung kann an Stelle des realen SLM auch ein Zwischenbild des SLM mehrfach mindestens eindimensional nebeneinander abbilden.
Der SLM kann nahe der Feldlinsenebene davor oder dahinter, real oder virtuell, vorhanden sein.
Mit den in der Feldlinsenebene dargestellten Segmenten kann der SLM mindestens eindimensional durch virtuelle Bilder vervielfältigt werden. Die von der Lichtablenk-Einrichtung erzeugte Anzahl von Segmenten zum Zusammensetzen der Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators kann veränderbar ausgestaltet werden, um beispielsweise den zu realisierenden räumlichen Sichtbarkeitsbereich oder einen vorgegebenen Betrachterabstand der Augenpupillen zum zu vergrößernden virtuellen Bild des SLM an das Bildformat oder den Bildinhalt anzupassen. Die Lichtablenk-Einrichtung kann in einer Ausgestaltungsvariante des Anzeigegerätes demnach so ausgestaltet sei, dass die Anzahl und/oder Größe von Segmenten zum Zusammensetzen der Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators veränderbar ausgestaltet ist.
Die Mehrfachabbildung des SLM kann mit der Lichtablenk-Einrichtung ein- oder zweidimensional erfolgen. Zur zweidimensionalen Mehrfachabbildung können die Lichtablenkmittel beispielsweise mindestens zwei in ihrer Ablenkrichtung gegeneinander gekreuzte eindimensionale Lichtablenkelemente enthalten.
Bevorzugt weist das Anzeigegerät zum Erzeugen eines vergrößerten Bildes eine steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung mit mindestens einem steuerbaren Lichtablenkmittel auf, das ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter variabler Gitterperiode aufweist. Diese Gitterperiode wird bevorzugt durch Änderung des Spannungsverlaufes an einer Elektrodenstruktur steuerbar eingestellt.
Die in der Lichtablenk-Einrichtung verwendeten Lichtablenkmittel, wie z. B. steuerbare Flüssigkristall- Gitter, Multiplex-Volumengitter oder steuerbare Prismen mit veränderlichem Keilwinkel, können beispielsweise eine Zylinderlinsenfunktion enthalten, um eine anamorphotische Streckung der Strahlenbündel zu erreichen. Es können auch Prismenpaare eingesetzt werden, um beispielweise eine anamorphotische Streckung eines Strahlenbündels oder von Wellenfeldern in einer Richtung zu erreichen.
Multiplex-Volumengitter sind dabei Volumenhologramme in die mindestens zwei unterschiedliche Ablenkrichtungen bei der Herstellung eingeschrieben wurden. Die gewünschte Ablenkrichtung kann dabei über eine oder mehrere Eigenschaft des einfallenden Lichtes, wie Einfallsrichtung, Wellenlänge oder Polarisationszustand selektiert werden.
Bei einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes enthält demnach die steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung mindestens ein Volumenhologramm, das mindestens zwei verschiedene Beugungswinkel aufweist, die durch mindestens zwei verschiedene Eintrittswinkel und/oder zwei verschiedene Wellenlängen des Lichtes zum Beleuchten des räumlichen Lichtmodulators auswählbar sind.
Mit einer eindimensionalen Aufweitung eines SLM mittels eines Volumengitters, das so angeordnet ist, dass nur gebeugtes Licht zur Bilderzeugung beiträgt, kann eine schmale Baugröße des Displays am seitlichen Brillenrahmen realisiert werden. Das Volumengitter kann dabei zusätzlich eine Feldlinsenfunktion enthalten. Die Anordnung kann so modifiziert werden, dass eine Ebene, in der sich ein zusammengesetztes Bild eines SLM befindet, in einer Dimension beispielsweise um den Faktor 10 aufgeweitet wird. Es muss sich jedoch nicht exakt um diese Ebene handeln. Es reicht, dass eine vorliegende Wellenfront aufgeweitet wird.
Der räumliche Sichtbarkeitsbereich des HMD ist allgemein definierbar durch eine vorgegebene Größe des Betrachterfensters und einen vorgebbaren Abstand von den Augenpupillen eines Betrachters oder Nutzers zur virtuellen Mehrfachabbildung des SLM. Dieser Abstand kann beispielsweise zwischen 1 m und 3 m betragen.
Das HMD kann in weiterer Ausbildung im Strahlenverlauf einen Raumfrequenz-Filter aufweisen, mit dem höhere Beugungsordnungen der vom SLM kodierten Wellenfronten filterbar sind. Der in einfachster Ausführung als statische Aperturblende ausgeführte Filter kann in einer Ausführung auch als Blendenfunktion ansteuerbar sein und das Betrachterfenster bilden, dessen Abbildung auf das Auge des Betrachters die Eintrittspupille bildet. Das Filter kann beispielsweise in der mittleren Brennebene eines teleskopischen Abbildungssystems angeordnet werden. Durch die Filterung der hohen Raumfrequenzen des SLM erscheint das auf das Auge abgebildete Betrachterfenster ohne benachbarte höhere Beugungsordnungen. Diese Filterung kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das Betrachter- oder Sichtbarkeitsfenster nur ungefähr so groß wie die Augenpupille des Betrachters ist.
In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist demnach im Strahlenverlauf mindestens ein Filter vorgesehen, mit dem höhere Beugungsordnungen der vom räumlichen kodierten Wellenfronten filterbar sind.
Besonders vorteilhaft wird dabei das Filter in der mittleren Brennebene eines teleskopischen Abbildungssystems angeordnet ist.
Bei kleinen Betrachterfenstern, beispielsweise 3 mm, kann es vorteilhaft sein, das Betrachterfenster in Abhängigkeit von der Augenbewegung steuerbar dieser Bewegung nachzuführen. Die Erfassung der Augenposition kann beispielsweise mit einer Kamera erfolgen, welche in das HMD integriert ist. Die Nachführung kann dabei von einer separaten steuerbaren Nachführeinrichtung mit eigenen Lichtablenkmitteln durchgeführt werden, wobei die Mehrfachabbildung in der Regel insgesamt der Augenposition nachgeführt wird. Diese Nachführeinrichtung kann z.B. mit Flüssigkristall-Gittern, steuerbaren Elektrobenetzungszellen (electrowetting), die eine variable Prismenfunktion realisieren, Flüssigkristall-Prismenzellen, variablen ausgedehnten Prismenzellen, oder auch in tieferer Bauweise mit Scan-Spiegeln ausgestaltet werden. In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist demnach eine steuerbare Nachführeinrichtung vorgesehen, mit der ein Betrachterfenster in Abhängigkeit von der Augenbewegung steuerbar dieser Bewegung nachführbar ist.
Die Nachführung kann aber teilweise oder vollständig auch von der Lichtablenk-Einrichtung zur Erzeugung der in Segmenten zusammengesetzten Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators ausgeführt werden. Dabei werden die Segmente bereits so erzeugt, das die Mehrfachabbildung der Augenposition folgt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist demnach die Lichtablenk-Einrichtung so ausgestaltet, dass zusätzlich zum Erzeugen einer in Segmenten zusammengesetzten Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators ein virtuelles Betrachterfenster in Abhängigkeit von der Augenbewegung steuerbar dieser Bewegung nachführbar oder die steuerbare Nachführeinrichtung unterstützbar sind.
Weiterhin können Einstellmittel vorhanden sein, um das Betrachterfenster manuell oder automatisch an die Lage der Augenpupille und damit beispielsweise an den Augenabstand anzupassen. Dafür können Sensoren vorhanden sein, die die mittlere Lage der Augenpupille erfassen, damit über entsprechende Aktuatoren das optische System des Anzeigegerätes beispielsweise an den Augenabstand anzupassen, um die Rekonstruktion einer 3D-Szene optimal wahrnehmen zu können.
In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes sind demnach Einstellmittel vorgesehen, um ein Betrachterfenster manuell oder automatisch an die Lage einer Augenpupille eines Auges eines Betrachters und damit beispielsweise an den Augenabstand anzupassen.
Die Funktion dieser Einstellmittel kann auch teilweise oder vollständig in die Lichtablenk-Einrichtung oder die Nachführeinrichtung integriert werden. Auch dafür können Sensoren zur Erfassung der Lagen der Augenpupillen vorhanden sein. In einer Initialisierungsphase oder ständig während der Benutzung des Anzeigegerätes kann so die Lichtablenk-Einrichtung und/oder die Nachführeinrichtung einen festen Verschiebewert einführen, um die Rekonstruktion einer 3D-Szene optimal wahrnehmen zu können. Zusätzliche Aktuatoren können dabei vorteilhaft entfallen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist demnach die Lichtablenk-Einrichtung und/oder die Nachführeinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie steuerbar das Betrachterfenster an die Lage der Augenpupille einstellt oder weitere dafür vorgesehene Einstellmittel unterstützt.
Die Lichtablenkmittel der Lichtablenk-Einrichtung können auch auf einer in ein oder zwei Raumrichtungen gekrümmten Fläche angeordnet werden, um die Segment für die zusammengesetzte Mehrfachabbildung zu erzeugen. Die dabei sequentiell vorliegende Lageabweichung der Segmente der zusammengesetzten Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators gegenüber einer planen Zusammensetzung kann bei der holographischen Kodierung der 3D-Objekte korrigiert werden, so dass diese im virtuellen Bildraum korrekt und unverzerrt dargestellt werden. Eine solche Krümmung kann auch durch weitere optische Abbildungsmittel bei der Erzeugung der Segmente hervorgerufen werden. Ebenso kann durch weitere Abbildungsmittel im Strahlengang die aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung, beispielsweise durch einen gewölbten Spiegel, zu einer vergrößerten virtuellen Modulatorfläche gewölbt abgebildet werden. Auch diese Wölbung kann bei der holographischen Kodierung der 3D-Objekte korrigiert werden
In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes sind demnach die Lichtablenk-Einrichtung und/oder weitere optische Komponenten des Abbildungssystems zum Erzeugen und/oder Abbilden der Segment der zusammengesetzten Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators so ausgestaltet, dass diese aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung gekrümmt erzeugbar und/oder abbildbar ist und dass diese Krümmung bei der Kodierung der dreidimensionalen Szene Berücksichtigung findet.
Je nach gewünschter Gesamtvergrößerung und dem Rasterabstand des SLM kann die Abbildung der ersten Stufe vergrößert, verkleinert oder im Maßstab 1 :1 erfolgen. Dabei kann die Abbildung auch anamorphotisch erfolgen. Durch die Lichtablenk-Einrichtung wird dabei der SLM in Segmenten zusammengesetzt z. B. mehrfach in die Objektebene eines Abbildungssystems mit Vergrößerungsoptik als zusammengesetztes Zwischenbild abgebildet. Die Lichtablenk-Einrichtung 400 enthält hier beispielhaft als erstes Lichtablenkmittel ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter variablen Gitterabstandes und als zweites Lichtablenkmittel ein Multiplex-Volumengitter, in das für jede Teilabbildung und jede Abbildungswellenlänge jeweils ein eigenes Volumengitter eingeschrieben ist. Die Auswahl des für die jeweilige benötigte Abbildung und benötigte Wellenlänge ausgewählten Volumengitters erfolgt dabei durch den aktuellen Beugungswinkel des ersten Lichtablenkmittels und der aktuellen Wellenlänge einer Farbmultiplex-Lichtmodulationseinheit. Eine anamorphotische Abbildung kann auch durch die Lichtablenk-Einrichtung ausgeführt werden oder durch diese unterstützt werden, indem beispielsweise nicht nur eine Lichtablenkung durch die Lichtablenkmittel sondern auch eine Aufspreizung des Wnkelspektrums erfolgt.
In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes sind demnach das Abbildungssystem und die Lichtablenk-Einrichtung so ausgestaltet, dass die aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators anamorphotisch erfolgt. Es ist vorteilhaft, eine Lichtablenk-Einrichtung, die nur ein steuerbares Lichtablenkmittel aufweist, in der gemeinsamen Brennebene eines telezentrischen Abbildungssystems anzuordnen. Dieses Lichtablenkmittel braucht hier nur eine Verkippung des Strahlenganges steuerbar ausführen, um eine aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung zu erzeugen. Diese Kippung kann beispielsweise durch ein steuerbares Prisma oder ein steuerbares diffraktives Ablenkgitter ausgeführt werden. Die Lage des Lichtablenkmittels zur Verkippung des Starhienganges kann auch von der Lage der Brennebene abweichen, um beispielsweise eine zusätzliche Feldlinsenfunktion zu realisieren. Dabei auftretende Überlagerungen der einzelnen Modulatorbilder lassen sich bei der Hologrammkodierung berücksichtigen. In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist demnach mindestens ein telezentrisches Abbildungssystem vorgesehen, in dessen objektseitiger Brennebene eine Lichtablenk- Einrichtung angeordnet ist, die steuerbar das vom räumlichen Lichtmodulator kommende Licht verkippt. Eine erweiterte Ausführungsform - der zeitlich und/oder räumlich segmentweisen Bereitstellung der Bildinhalte in einem ausgedehnten Betrachterraum - stellt eine im Raumwinkel variable Kombination einer inkohärenten 2D-Darstellung und/oder einer 3D-Stereo-Darstellung mit einer dynamisch kodierten, zumindest teilkohärenten holographischen 3D-Darstellung dar.
Mehrere Aspekte liegen dieser möglichen Ausführungsform zu Grunde. Das Auge kann besonders gut auf Gebiete mit hohen Kontrastunterschieden wie beispielsweise Punkte, Kanten oder differenzierte Strukturen fokussieren.
Im Raum dargestellte unstrukturierte Flächen besitzen beispielsweise nur einen geringen Kontrast. Das Auge kann darauf schlechter fokussieren. Daher ergibt sich die Möglichkeit, die dynamisch kodierte holographische 3D-Darstellung auf Struktur- und Kantenmerkmale, d.h. stark wirksame Fokus- Merkmale zu beschränken, und Flächen und Objektsegmente mit gering wirksamen Fokus-Merkmalen mittels 2D- oder 3D-Stereo-Darstellung zu erzeugen. Dies entspricht einer Ineinander-Darstellung von dynamisch kodierter holographischer 3D-Darstellung und 2D- bzw. 3D-Stereo-Darstellung. Dies kann über den gesamten oder einen anteiligen Raumwinkel-Bereich eines unsegmentierten, oder zeitlich oder räumlich segmentierten Betrachterbereich erfolgen. Die Ausführung kann darauf beschränkt werden, nur den Randbereich des zentralen Betrachterfensters nach Außen zu erweitern und damit einen umfassenderen Raumeindruck der dynamisch kodierten darzustellenden holographischen 3D Szene zu erhalten.
In einer einfachen Ausführungsform kann beispielsweise - betrachtet sei hierbei der Einfachheit der Darstellung wegen nur der vertikale Betrachterwinkel - der mittlere Winkelbereich von (0 bis ±13) ° deg, d.h. 26 ° deg, der einem mittleren Segment des SLM in der Feldlinsenebene entspricht, mittels dynamisch kodierter holographischer 3D-Darstellung erzeugt werden. Die am mittleren Winkelbereich oben und unten anschließenden Winkelbereiche von +13 bis + 39 ° deg und von -13 bis - 39 ° deg sind mittels 2D- bzw. 3D-Stereo-Darstellung erzeugbar.
Hintergrund ist, dass der Nutzer innerhalb seiner natürlichen Umwelt nur einen begrenzten Raumwinkel mit hoher Auflösung und stark wahrnehmbarem 3D-Eindruck erfassen kann. Steht dem Nutzer ein sehr großer Raumwinkel zur Verfügung, so liegen die Merkmale hohe Auflösung und stark wahrnehmbarer 3D-Eindruck nur in einem Teilbereich des gesamten Raumwinkels vor. Dies ist der Bereich, auf den sich der Nutzer konzentrieren kann. Da dieser Bereich mit der Augenbewegung des Nutzers in Raum wandern kann, ist es vorteilhaft, den mit starken Fokus- und 3D-Merkmalen dargestellten Raum-Bereich ebenso wandern zu lassen. Zu diesem Zweck ist eine Erfassung der Augenpositionen und/oder der Blickrichtung vorzusehen. Auch wenn das Betrachterfenster beispielsweise 15 mm ausgedehnt ist und in diesem Fall keine Nachführung des Betrachterfenster notwendig ist, so ist jedoch eine Nachführung des mit starken Fokus- und 3D-Merkmalen dargestellten Raumbereichs vorteilhaft, wenn dieser nur einen Teil des darstellbaren Gesamtraumes umfasst. Die holographische Darstellung und die 2D-Darstellung und/oder 3D-Stereo-Darstellung können z.B. flächig ineinander, ineinander übergehend und/oder direkt aneinander anschließend erfolgen. Eine Kalibrierung und eine Vergleichstabelle (engl.: look up table, LUT) können verwendet werden, um wahrnehmbare Störungen im Frustum zu eliminieren.
In Bezug auf Kosten kann es vorteilhaft sein, einen SLM für eine holographische Kodierung und einen SLM für eine klassischen 2D-Darstellung anzuordnen. Es kann auch vorgesehen werden, für die Beleuchtung eines SLM für eine holographische Kodierung Laserdioden und für die Beleuchtung eines SLM für eine klassischen 2D-Darstellung Licht emittierende Dioden LED zu verwenden. Für die 2D bzw. 3D-Stereodarstellung kann auch ein selbstleuchtender SLM, beispielsweise ein OLED-Display, verwendet werden. Zur Reduzierung von innerhalb des Objektraumes wahrnehmbarem Speckle und kohärentem Übersprechen von Nachbarpunkten können beispielsweise Eigenschaften wie Polarisation, Wellenlänge und/oder räumliche Ausdünnung der Objektsszene verwendet werden.
Beispielsweise sind die Lichtquellen einer Beleuchtungseinrichtung, die z. B. jeweils zwei SLM beleuchten, die einen gemeinsamen Bildpunktebereich rekonstruieren, für jeweils unterschiedliche schmalbandige Wellenlängenbereiche innerhalb eines Farbbereiches RGB auslegbar. Die dabei auftretende Farbverschiebung kann bei der Kodierung der einem SLM zuordbaren Bildpunkte berücksichtigt werden. Die Verwendung unterschiedlich polarisierten Lichtes (z. B. horizontal und vertikal polarisiert oder rechts und links zirkulär polarisiert) ist ebenfalls anwendbar. Auch hier lassen sich unterschiedliche Intensitäten der Lichtanteile bei der Kodierung der Objektpunkte berücksichtigen Beide Varianten können kombiniert werden.
Die zeitliche und räumliche Kohärenz kann auf ein Minimum reduziert werden, indem Volumengitter mit unterschiedlichen Anordnungen von Lichtquellen kombiniert werden, z.B. mit Laserdioden nach den angeführten Varianten.
Besonders bei der Ausbildung eines stationären Gerätes ist es vorteilhaft, eine Ausdünnung von Objektpunkten mit mehreren SLM zu implementieren, wobei die Punktwolken der einzelnen Teile der rekonstruierten 3D-Szene dieser SLM's ineinander liegen. Dabei können die einzelnen SLM's beispielsweise mit Lichtquellen, die die gleiche Wellenlänge besitzen können aber zueinander inkohärent sind, beleuchtet werden. Diese Lichtquellen können auch leicht voneinander abweichende Wellenlängen aufweisen, wobei diese Farbunterschiede bei der Hologrammcodierung berücksichtigt werden sollten, um eine ungestörte farbige Rekonstruktion zu erhalten. In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist demnach eine weitere Lichtablenk-Einrichtung vorgesehen, die eine weitere aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung eines weiteren räumlichen Lichtmodulators erzeugt. Die aus Segmenten zusammengesetzten Mehrfachabbildungen der einzelnen Lichtmodulatoren sind ineinandergeschachtelt und/oder gegeneinander gedreht und/oder gegeneinander verschoben und/oder in der Tiefe gestaffelt und definieren mit der Augenpupille eines Betrachterauges (1000, 1001 , 1002) einen gemeinsamen Betrachterbereich. Deren Teilbereiche grenzen einander an oder überlagern sich ganz oder teilweise, wobei die Überlagerung inkohärent, teilkohärent oder kohärent, erfolgt. In jedem Teilbereich liegt dabei eine 2D Darstellung und/oder eine 3D-Stereodarstellung und/oder eine holographische 3D-Rekonstruktion vor.
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass der SLM mit einem steuerbaren Bauelement kombinierbar ist, das eine Linse mit Feldlinsenfunktion und eine steuerbare Lichtablenk-Einrichtung in einem aufweisen kann.
Dieses steuerbare Bauelement kann auch ein statisches Volumengitter sein, das in einer Ebene ineinander einbelichtete oder übereinander in verschiedenen Ebenen einbelichtete Strahlenverläufe enthalten kann.
Ein solches statisches Lichtablenk-Element wird mit einem weiteren schalt- bzw. steuerbaren Lichtbeeinflussungsmittel, beispielsweise einem schalt- bzw. steuerbaren Blendenfeld (shutter array) kombiniert, um zu einem Zeitpunkt jeweils nur Licht einer Ablenkrichtung weiterzuleiten. Weiterhin kann die Feldlinse des Fokussierungssystems allein als einzelnes Volumengitter oder als steuerbares Gitter auf der Basis von Flüssigkristallen (liquid crystal, LC) ausgestaltet sein.
Die Lichtablenk-Einrichtung, eine Feldlinse und eine optional anwendbare Nachführeinrichtung können so angeordnet werden, dass die nullte Beugungsordnungen diffraktiver Lichtablenkmittel nicht zur Bilderzeugung beitragen. Dadurch können auch diffraktive Lichtablenk- und Abbildungsmittel eingesetzt werden, die nur eine geringe Beugungseffektivität aufweisen, so dass störendes Restlicht in der nullten Beugungsordnung verbleibt, wenn die gewünschte Lichtablenkrichtung ausgewählt wird.
In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist in der steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter variabler Gitterperiode und/oder ein Multiplex-Volumengitter so angeordnet, dass Licht der nullten Beugungsordnung ungenutzt durch dieses hindurch tritt und vom weiteren aktiven Strahlenverlauf fernhaltbar ist.
Die Einzelfunktionen dieser Bauelemente sind auch innerhalb der einzelnen Elemente als steuerbares Flüssigkristall-Gitter kombinierbar.
Das Einbelichten von Strahlenverläufen kann zum Zwecke der Polarisations- und/oder Wellenlängentrennung und Winkel-Trennung bzw. -Vereinigung erfolgen. Zum Auslesen und Separieren der in einem solchen Multiplex-Volumengitter eincodierten Strahlenverläufe sind die gleichen technischen Mittel anwendbar, d.h. Polarisation, Wellenlänge und Wnkel.
Im Fall eines Volumengitters, dessen Rekonstruktionsgeometrie elektrisch schaltbar ist, enthält das Volumengitter beispielsweise ein Flüssigkristallmaterial, dessen Orientierung veränderbar steuerbar ist.
Volumengitter eignen sich aufgrund ihrer realisierbaren Dicke dazu, Strahlenverläufe kompakt zu vereinen, und sind für die vorliegende Erfindung ein geeignetes Mittel, die Displaygröße bzw. -dicke und das Gewicht reduzieren zu können.
Statische Volumengitter, d.h. Volumengitter mit fester Rekonstruktionsgeometrie bzw. mit zeitlich unveränderten Gitterparametern können beispielsweise aus Dichromatgelatine (DCG), photorefraktivem Glas oder Photopolymer hergestellt werden.
Sehr vorteilhaft lassen sich Volumengitter einsetzen, bei denen sich die Brechzahl in der Tiefe ändert, d. h. eine Funktion von z ist. Mit einer solchen Z-Apodisation lassen sich gezielt Nebenmaxima der Winkel- und Wellenlängenselektivität unterdrücken und sich gezielt Winkel-, Polarisations- und/oder Wellenlängenselektivitäten auf den, für das jeweilige Design optimalen Funktionsverlauf einstellen. Das ist sowohl für transmissive als auch für reflektive Volumengitter anwendbar, wobei in eine dicke Schicht unterschiedliche Volumengitter beispielsweise hintereinander, d.h. in unterschiedlichen Tiefenbereichen, oder auch ineinander, d.h. zumindest teilweise überlappend belichtet werden können, wobei der Apodisationsverlauf beispielsweise so ausgelegt wird, dass zumindest die Nebenmaxima der Winkel- und Wellenlängenselektivität unterdrückt und für das jeweilige Design optimierte Übergänge der einzelnen Segmente der Mehrfachabbildung des SLM erreicht werden.
Multiplex-Volumengitter können auch aus mehreren miteinander verklebten Schichten mit separaten Beugungsmustern hergestellt werden. Jede Schicht kann dabei auch ein Multiplex-Volumengitter enthalten und z. B. für einen Wellenlängen- oder einen Wnkelbereich optimiert sein. Die steuerbaren Schichten der Lichtablenkmittel können ein Flüssigkristallmaterial enthalten, das als Volumengitter oder als Flüssigkristall-Gitter in der Lichtablenk-Einrichtung zum Ausführen von Funktionen mit Phasenverläufen ansteuerbar ist, um Strahlenverläufe bzw. kohärente Wellenfronten zu modulieren bzw. ihre Ausbreitungsrichtung zu ändern.
Elektrisch steuerbare Volumengitter sind beispielsweise unter dem Begriff PDLCG (polymer dispersed liquid crystal grating) bekannt und erreichen hohe Schaltgeschwindigkeiten.
Für eine zu erzeugende Rekonstruktion kann die Kodierung vorteilhaft mit tiefensignifikanten Mustern und Merkmalen auf einen Bereich der zusammengesetzten Modulatorabbildung beschränkt werden. Dieser Bereich liegt vorzugsweise in Blickrichtung des Betrachterauges und ist z.B. durch Detektion der Pupillenposition ermittelbar. Eine inkohärente 2D- oder 3D-Stereo-Darstellung kann mit der holographischen Rekonstruktion überlagert werden. Dies kann flächendeckend oder auch ineinander übergehend erfolgen, indem der räumliche Lichtmodulator in wenigstens einem Segment holographisch und in den anderen Segmenten mit Stereobildern kodierbar ist, wobei die holographische Rekonstruktion beispielsweise im zentralen Segment erzeugbar ist. In weiteren Segmenten kann die 3D Szene beispielsweise zwei- oder dreidimensional darstellbar sein.
Das HMD kann mit einem räumlichen Lichtmodulator SLM, in dem eine 3D Szene holographisch kodierbar ist, oder in Kombination mit einem räumlichen Lichtmodulator SLM, der Stereobilder für eine 2D- oder 3D-Darstellung bereitstellen kann, ausgestaltet werden. Das erfindungsgemäß im Hauptanspruch definierte Head-Mounted Display ist für eine Ausführung als 2D-HMD, 3D-Stereo-HMD und als 3D-holographisches HMD, das aber keine Vergrößerungsmittel benötigt, erweiterbar.
Mit der variierbaren Vergrößerung der SLM-Ebene ist das erfindungsgemäß ausgestaltete HMD für andere stereoskopische Display-Anwendungen modifizierbar, z.B. als Display für ein holographisches Direktsichtgerät oder für ein holographisches TV-Gerät.
Besonders für Hokulargeräte sind auch Ausgestaltungsvarianten einsetzbar, bei denen mindestens ein linearer räumlicher Lichtmodulator abgetastet wird. Die Segmente für die zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators werden dabei vorzugsweise eindimensional quer zur Abtastrichtung in Form von Abtastreifen erzeugt. Das Abtasten kann beispielsweise mit Galvanometerspiegel, die auch als mikromechanische Elemente ausgeführt werden können oder Polygonspiegel erfolgen. Vorteilhaft lassen sich dafür auch steuerbare diffraktive Gitter verwenden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist der räumliche Lichtmodulators als linearer räumlichen Lichtmodulator ausgestaltet, der durch ein Lichtablenkmittel quer zu seiner linearen Ausdehnung abtastbar ist und dessen Abtastbild durch die steuerbare Lichtablenk-Einrichtung in Richtung seiner linearer Ausdehnung in zeitlicher Folge mehrfach übereinander zusammensetzbar ist.
Wird ein Polygonspiegel zum Abtasten verwendet, kann dieser so ausgestaltet werden, das aufeinanderfolgende Spiegelflächen in Richtung der Drehachse gegeneinander so verkippt sind, dass sich die einzelnen Abtaststreifen aneinanderreihen oder eine leichte Überdeckung aufweisen. Die Überdeckung kann bei der Kodierung der Hologrammwerte berücksichtigt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes mit einem linearen räumlichen Lichtmodulator ist demnach ein Polygonspiegel vorgesehen, bei dem mindestens zwei Spiegelflächen gegeneinander so verkippt sind, das deren jeweiligen Abtaststreifen senkrecht zur Abtastrichtung übereinander liegen oder sich leicht überlappen. In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante kann vor oder hinter dem räumlichen Lichtmodulator des Anzeigegerätes eine Mikrolinsenanordnung vorgesehen sein, um die Lichteffizienz des räumlichen Lichtmodulators zu erhöhen und/oder Kanteneffekte im Bereich zwischen den einzelnen Modulatorzellen des räumlichen Lichtmodulators zu verringern. Die Mikrolinsenanordnung kann zu diesem Zweck auch am Ort eines Zwischenbildes des räumlichen Lichtmodulators oder am Ort eines zusammengesetzten Zwischenbildes des räumlichen Lichtmodulators vorgesehen sein.
Die Mikrolinsenanordnung kann zusätzlich über eine Apodisationsmaske verfügen, um höhere Beugungsordnungen, die durch das Raster der Modulatorzellen entstehen, weitestgehend zu unterdrücken. Eine Apodisation kann auch dadurch erreicht werden, dass sich die Foki der Mikrolinsen nicht genau in der Ebene der Modulatorzellen befinden, sondern leicht gegen diese dejustiert sind. Mit einer leichten Defokusierung kann eine Anpassung der beschriebenen Wirkungen der zugeordneten Mikrolinse an die Größe der aktiven Fläche erfolgen. Dazu kann die Linsenform bezüglich ihrer optischen Übertragungsfunktion optimiert werden. Sie kann auch plan sein und ein Gradientenindexprofil aufweisen.
Bei Verwendung eines transmissiven Modulators kann sich eine Mikrolinsenanordnung auch im Lichtweg zwischen einer Rückseitenbeleuchtung und den Modulatorzellen befinden, um das unmodulierte Licht der Rückseitenbeleuchtung auf die aktive Fläche der Modulatorzellen zu konzentrieren. Eine Apodisationsmaske kann auch ohne die Verwendung von Mikrolinsen eingesetzt werden, um höhere Beugungsordnungen zu unterdrücken.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anzeigegerätes kann eine Apodisationsmaske auf der dem Betrachterauge zugewandten Seite des räumlichen Lichtmodulators vorhanden sein. Sie kann auch am Ort eines Zwischenbildes und/oder am Ort eines aus Segmenten zusammengesetzten Zwischenbildes des räumlichen Lichtmodulators vorgesehen sein.
Das HMD kann im Strahlenverlauf weiterhin zusätzlich Farbfilter zum Erzeugen einer farbigen Rekonstruktion aufweisen, die z. B. für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau ausgelegt sind.
Zum Erzeugen der komplexen Hologrammwerte können transmissive und reflektive SLM eingesetzt werden. Bei einem reflektiven SLM ist eine flache Vordergrundbeleuchtungseinrichtung erforderlich oder die Beleuchtungseinrichtung kann ein Projektionssystem zur schrägen Beleuchtung enthalten. Als Modulatoren können Systeme enthalten sein, die die Amplitude oder vorteilhafterweise die Phase des Lichtes modulieren. Komplexwertige Modulatoren, welche direkt Amplitude und Phase modulieren, können ebenfalls enthalten sein. Mittels einer Strahlvereinigungsoptik (beam combiner, BC), wie sie beispielsweise aus der DE 10 2009 044 910 A1 der Anmelderin bekannt ist, kann das Licht je nach Kodierungsart von zwei, wie z. B. bei der Zweiphasenkodierung, oder mehreren Modulatorzellen zu einem komplexwertigen Hologrammwert übereinander geschoben werden. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden und/oder die oben beschriebenen Ausführungsformen - soweit möglich - miteinander zu kombinieren. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In den Zeichnungen zeigen (jeweils in einer schematischen Darstellung)
Fig. 1 a die Funktion der Lichtablenk-Einrichtung anhand von drei Schaltzuständen,
Fig. 1 b den Einsatz der Lichtablenk-Einrichtung in einer ersten beispielhaften Ausgestaltung, Fig. 2 den erweiterten Sichtbereich durch den Einsatz der Anordnung nach Fig. 1 b,
Fig. 3 das Prinzip der Erzeugung eines virtuell vergrößerten Modulatorbildes mit einem 4f- Abbildungssystem und einer zusätzlichen Vergrößerungsoptik,
Fig. 4 den Einsatz eines reflektiven SLM und das Prinzip zur Verkürzung der Baulänge durch den Einsatz von Spiegeln in einem 4f-Abbildungssystem mit einer zusätzlichen Vergrößerungsoptik, Fig. 5 das Prinzip der Verkürzung der Baulänge durch den Einsatz eines Spiegels vor einem vergrößernden Lupensystem, welches eine Feldlinsenfunktion beinhaltet,
Fig. 6 eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung mit gewölbten Spiegeln zur Verkürzung der Baulänge,
Fig. 7, 8 einen Vergleich der notwendigen Baugröße bei einer Anordnung einer Lichtablenk- Einrichtung hinter und vor einem vergrößernden Lupensystem, welches eine Feldlinsenfunktion beinhaltet,
Fig. 9 den Einsatz von Umlenkspiegeln zur Verkürzung der Bautiefe bei einer Anordnung einer Lichtablenk-Einrichtung hinter einer Vergrößerungsoptik,
Fig. 10 den Einsatz von Lichtablenkmitteln einer Lichtablenk-Einrichtung zur Verkürzung der Bautiefe, wobei die 0. Beugungsordnung nicht verwendet wird,
Fig. 1 1 den Einsatz von gewölbten Spiegeln zur Verkürzung der Baulänge in Verbindung mit einer Anordnung einer Lichtablenk-Einrichtung hinter der Vergrößerungsoptik,
Fig. 12a den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung eines
Amplitudenmodulators auf einen optisch adressierten räumlichen Lichtmodulator,
Fig. 12b den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung eines Amplitudenmodulators auf einen optisch adressierten räumlichen Lichtmodulator, der zusammen mit dem elektrisch adressierbaren Modulator zum Einschreiben der Phasenwerte in den optisch adressierten räumlichen Lichtmodulator bei seinem Auslesen einen komplexwertigen Modulator bildet,
Fig. 13 den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung über einen dünnen Wellenleiter, Fig. 14 den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung zwischen einem teleskopischen Abbildungssystems zur Abbildung des Modulators und einem Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik,
Fig. 15 den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung hinter der zweistufigen Abbildung des Modulators mit einem teleskopischen Abbildungssystems und einem Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik,
Fig. 16 den Einsatz mindestens zweier variabler Keile in einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung zwischen einem teleskopischen Abbildungssystems zur Abbildung des Modulators und einem Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik,
Fig. 17 eine Anordnung zur schnellen Verschiebung von Strahlenbündeln unter Verwendung zweier Umlenkspiegel, die gleichsinnig steuerbar verdreht werden können, für den Einsatz in einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung,
Fig. 18 eine Anordnung zur schnellen Verschiebung von Strahlenbündeln unter Verwendung eines schnellen Hubspiegels für den Einsatz in einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung,
Fig. 19 den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung mit zwei steuerbaren gleichsinnig verdrehbaren Umlenkspiegeln in einem zweistufigen Abbildungssystem,
Fig. 20 den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung mit einem steuerbaren Ablenkgitter und einem Multiplex-Reflexions-Volumengitter zur Mehrfachabbildung in einem zweistufigen Abbildungssystem,
Fig. 21 das Prinzip einer anamorphotischen Vergrößerung eines SLM oder eines mehrfach zusammengesetzten Bildes eines SLM mittels zweier Transmissions-Volumengitter, wobei die Wegdifferenzen zwischen einzelnen Strahlen kompensiert werden,
Fig. 22 den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung mit einem steuerbaren Ablenkgitter in der Blendenebene eines telezentrischen Abbildungssystems zur Mehrfachabbildung in einem zweistufigen Abbildungssystem,
Fig. 23 den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung in unmittelbarer Nähe der Eintrittspupille (EP) des Nutzerauges zur Mehrfachabbildung, Fig. 24 den Einsatz einer mindestens eindimensional gekrümmten Lichtablenk-Einrichtung in unmittelbarer Nähe der EP des Nutzerauges zur Mehrfachabbildung,
Fig. 25 eine Anordnung zum Farbmultiplex beim Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung mit einem steuerbaren Ablenkgitter in der Blendenebene eines telezentrischen Abbildungssystems zur Mehrfachabbildung in einem zweistufigen Abbildungssystem, wie sie in Fig. 22 dargestellt ist, Fig. 26 eine vertikale Mehrfachabbildung mittels einer Lichtablenk-Einrichtung über einen dünnen Wellenleiter,
Fig. 27 a-c den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung mit einem steuerbaren Ablenkgitter in der Blendenebene eines telezentrischen Abbildungssystems zur Mehrfachabbildung in einem zweistufigen Abbildungssystem in Verbindung mit einem eindimensionalen Lichtmodulator, Fig. 28 den Einsatz eines Polygonspiegels als Lichtablenk-Einrichtung in der Blendenebene eines telezentrischen Abbildungssystems zur Mehrfachabbildung in einem zweistufigen Abbildungssystem in Verbindung mit einem eindimensionalen Lichtmodulator,
Fig. 29 die Vermeidung der 0. Beugungsordnung beim Einsatz diffraktiver optischer Elemente in steuerbaren Lichtablenkmitteln zur Erzeugung eines zusammengesetzten vergrößerten virtuellen Bildes einer Lichtmodulationseinrichtung,
Fig. 30 eine Nachführung des Betrachterfensters auf die Bewegung der Eintrittspupille eines Betrachterauges durch die Änderung des mittleren Abstrahlwinkels eines SLM mittels eines Prismas,
Fig. 31 die Minimierung von Kanten-Effekten der Modulatorzellen und die Erhöhung des Füllfaktors des SLM mit Hilfe einer Mikrolinsenanordnung am Beispiel eines reflektiven SLM, Fig. 32 die Minimierung von Kanten-Effekten der Modulatorzellen und die Erhöhung des Füllfaktors des SLM mit Hilfe einer Mikrolinsenanordnung am Beispiel eines reflektiven SLM in Verbindung mit einer Strahlvereinigungsoptik.
Die Fig. 1 a und 1 b zeigen jeweils eine Lichtablenk-Einrichtung 400 mit einigen grundlegenden Funktionen, wie sie im erfindungsgemäßen HMD verwendet werden sollen. Die Lichtablenk-Einrichtung 400 weist in Fig. 1 a zwei steuerbare Lichtablenkmittel 410, 420 auf, die mit modulierten kohärenten Wellenfronten 720, 730, 740 einen räumlichen Lichtmodulator SLM 200 mehrfach abbilden. Der SLM 200 wird mit einer hier nicht dargestellten Beleuchtungseinrichtung kollimiert beleuchtet. Nach Modulation des Lichtes durch den SLM 200 tritt aus diesem eine modulierte kohärente Wellenfront 710 aus.
In einer abgewandelten vorteilhaften Ausführung wird der SLM 200 mit einer konvergenten Wellenfront beleuchtet. Eine optionale, hier nicht dargestellte Strahlvereinigungsoptik wird dabei an diese Form der Beleuchtung angepasst.
Wird beispielsweise in der Strahlvereinigungsoptik eine doppelbrechende Planplatte (Savart-Platte ) angewendet, wie es in der DE 10 2009 044 910 A1 der Anmelderin vorgeschlagen wird, muss diese in der Dicke in Abhängigkeit vom SLM-Ort derart modifiziert werden, dass die Wellenfronten der benachbarten, zu vereinigenden Pixel übereinander liegen.
In einer flachen Vorderseitenbeleuchtung, die mindestens ein Volumengitter enthält, kann eine solche sphärische Beleuchtung leicht implementiert werden. Die Feldlinse oder ein Teil von ihr wird so in die Beleuchtungseinrichtung implementiert, dass refraktive Flächen eingespart werden können. Bei einem transmissiven SLM kann dafür auch eine konvergente Rückseitenbeleuchtung angewendet werden. In der linken Darstellung in Fig. 1 a wird eine modulierte ebene Wellenfront 710 in den steuerbaren Lichtablenkmitteln 410, 420 als modulierte Wellenfront 730 nur weitergeleitet und nicht abgelenkt. Der räumliche Lichtmodulator kann als Segment in einer folgenden Feldlinsenebene dargestellt werden. In den zwei weiteren Darstellungen ist die Ablenkung der modulierten Wellenfront 710 in zwei unterschiedliche Richtungen als modulierte Wellenfronten 720, 740 zu sehen. Die Ablenkung kann mit mindestens einem Lichtablenkelement fest vorgegeben werden oder es können Schichten verwendet werden, mit denen vorgebbare Ablenkwinkel bei Ansteuerung einstellbar sind. Mit einer Kombination von Ablenkelementen einer steuerbaren Ablenkung mit einer fest einstellbaren Ablenkung können modulierte Wellenfronten ebenfalls abgelenkt und weitergeleitet werden. Die steuerbaren Lichtablenkmittel können z.B. zwei steuerbare Flüssigkristallmaterialien enthalten. Fig. 1 b zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäß beanspruchten Head-Mounted Displays HMD, bei dem eine Lichtablenk-Einrichtung 400 entsprechend Fig. 1 a angewendet wird. Einem mehrfach abzubildenden SLM 200 folgen im Strahlenverlauf die Lichtablenk-Einrichtung 400 und eine Vergrößerungslinse 530, die relativ geringe Abstände zueinander aufweisen. Mit einer optionalen Nachführeinrichtung 600 kann die 3D-Rekonstruktion der im SLM 200 einkodierten Hologramminformation den Bewegungen der Augenpupille eines Betrachterauges 1000 nachgeführt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das erzeugte Betrachterfenster in seinem Durchmesser nur wenig vom Pupillendurchmesser des Betrachterauges abweicht.
Mit dem SLM 200, der beispielsweise eine Matrix mit individuell ansteuerbaren Modulatorzellen enthält, können Sub-Hologramme einer 3D Szene mit unterschiedlichen Ansichten durch Modulationen M, von Wellenfronten WF, in zeitlicher Abfolge erzeugt werden. Die Modulatorzellen werden mit Licht einer nicht dargestellten Lichtquelle, deren Licht zumindest in eine Richtung kohärente Eigenschaften aufweist, mit einer ebenen Wellenfront kollimiert ausgeleuchtet. Die durch den räumlichen Lichtmodulator 400 in zeitlicher Abfolge modulierte Wellenfront 710 wird in der Lichtablenk-Einrichtung 400 in unterschiedlichen Richtungen als modulierte Wellenfronten 720, 730, 740 abgelenkt. Mit der Lichtablenk-Einrichtung 400 ist der räumliche Lichtmodulator 200 segmentweise zeitlich aneinander gereiht in der Ebene einer Vergrößerungslinse 530 als zusammengesetzter virtueller räumlicher Lichtmodulator hoher Auflösung darstellbar. Die Vergrößerungslinse 530 beinhaltet dabei eine Feldlinsenfunktion.
Mit den in ein oder zwei Richtungen mehrfach nebeneinander darstellbaren Segmenten des räumlichen Lichtmodulators 200 sind den Segmenten zuordenbare Lichtmodulatorbilder virtuell im räumlichen Sichtbarkeitsbereich sichtbar, wobei den Lichtmodulatorbildern modulierte Wellenfronten 720-740 zu den entsprechenden Zeitpunkten der unterschiedlichen Lichtablenkungen durch die Lichtablenk-Einheit 400 zuordenbar sind. Damit kann der Betrachter den aufgespannten Sichtbarkeitsbereich in seiner Gesamtheit erfassen und die dreidimensionale Darstellung sehen. Der räumliche Sichtbarkeitsbereich definiert den Betrachterraum, innerhalb dem die dreidimensionale Rekonstruktion wahrgenommen werden kann.
Mit der gemäß Fig. 1 b durch die Lichtablenk-Einrichtung 400 geleiteten modulierten Wellenfront 710 ist der SLM 200 mehrfach in der Ebene einer Vergrößerungslinse (Lupe, magnifying lens) 530 zeitlich und/oder statisch nebeneinander darstellbar, wobei die modulierten Wellenfronten 720-740 erzeugt werden. Die Vergrößerungslinse 530, die vorteilhaft als Mehrlinsensystem ausgebildet sein kann, ist je nach Abstand zum Betrachterauge 1000 im Allgemeinen nicht die Feldlinse. Sie wirkt als Lupe, wobei der zusammengesetzte SLM innerhalb der Brennweite des Lupensystems angeordnet ist. Bei gleicher Brennweite der Vergrößerungslinse 530 kann durch den Abstand des zusammengesetzten Modulatorbildes zur objektseitigen Hauptebene der Vergrößerungslinse 530 die Lage des durch das Auge wahrnehmbaren virtuellen Bildes des zusammengesetzten Modulatorbildes eingestellt werden. Damit wird zugleich auch der Sichtbarkeitsbereich der holographischen Rekonstruktion festgelegt.
Die Feldlinse befindet sich real oder virtuell in der Ebene eines reellen oder virtuellen (mehrfach zusammengesetzten) SLM. Ihre Funktion kann im gesamten optischen System implementiert werden und mehrere passive und/oder aktive Abbildungselemente enthalten. Die Vergrößerungslinse 530 kann auch so ausgelegt werden, dass durch sie die Feldlinsenfunktion realisiert wird. Das zusammengesetzte Modulatorbild befindet sich in diesem Fall in der Hauptebene der Vergrößerungslinse 530 und ist zugleich auch das vom Auge wahrgenommene virtuelle Bild des zusammengesetzten Modulators, welches den Sichtbarkeitsbereich aufspannt. In diesem Fall ist sie eine reine Feldlinse, welche vor der Eintrittspupille des Nutzerauges im Abstand ihrer Brennweite angeordnet ist. Sie bewirkt keine Vergrößerung.
Dies ist in Fig. 2 in vereinfachter Darstellung gezeigt. Die wesentlichen Mittel, die in einem Head- Mounted Display zum Ausführen des erfindungsgemäßen angegebenen Prinzips enthalten sind, werden darin verdeutlicht. Das Scannen des SLM 200 mit der Lichtablenk-Einrichtung 400 und der Linse mit Feldlinsenfunktion 500, die nacheinander in Lichtausbreitungsrichtung angeordnet sind, ist in einem Basislayout dargestellt. Der SLM 200 kann mit zeitlich folgenden kohärenten Wellenfronten die unterschiedliche holographische Informationen tragen, mit der Lichtablenk-Einrichtung 400, die z.B. mindestens ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter enthält, in mehreren Segmenten in der Feldlinsenebene z.B. fünfmal zeitlich nacheinander mit der Folge 1 , 2, 3, 4, 5 mindestens eindimensional dargestellt bzw. kopiert werden, so dass ein Bild 270 des zusammengesetzten Modulators entsteht. Die steuerbaren Flüssigkristall-Gitter werden vorzugsweise als an sich bekannte aktive Flüssigkristall- Polarisationsgitter ausgestaltet, deren Gitterkonstante sich durch Änderung eines Spannungsprofils an einer Elektrodenstruktur und damit des eingeschriebenen Phasenprofils ändern lässt.
Die zeitlich nacheinander entstehenden segmentierten Wellenfronten 720 - 760 werden in Richtung der Augenpupillen mit Abbildungsmitteln gelenkt. Mit den dargestellten Segmenten des SLM 200 wird ein räumlicher Sichtbarkeitsbereich, der sich von den Augenpupillen ins Unendliche aufspannt, erzeugt.
Das Abtasten des räumlichen Lichtmodulators 200 mit den Wellenfronten kann auch statisch erfolgen, wobei der SLM 200 insgesamt segmentiert wird, d.h. dass mehrere räumliche Lichtmodulatoren in unmittelbarer Nähe angeordnet werden oder über Abbildungsmittel zu einem großen hochauflösenden virtuellen Modulator durch die Lichtablenk-Einrichtung 400 zusammengesetzt werden.
Neben einem zeitlichen mehrfachen Abbilden des SLM 200 in die Ebene der Linse mit Feldlinsenfunktion 500, kann auch eine gleichzeitige Mehrfachabbildung in die Ebene der Linse mit Feldlinsenfunktion 500 erfolgen. Das kann beispielsweise durch Volumengitter erreicht werden, in die mehrere Ausbreitungsrichtungen statisch eingeschrieben sind. Zu einem festen Zeitpunkt ist die Kodierung nur für ein Segment korrekt und beispielsweise für 4 andere Segmente nicht. Die weitere Ausbreitung des Lichtes von diesen Segmenten in Richtung des Auges kann beispielsweise mittels elektrisch schaltbarer Blenden unterdrückt werden. Solche schaltbaren Blendenanordnungen können beispielsweise als Flüssigkristall-Shutter Displays ausgebildet sein. Der Vorteil ihrer Anwendung im HMD besteht darin, dass neben dem SLM 200 und beispielsweise der Lichtquelle nur segmentierte schnell schaltbare Blenden verwendet werden können.
Mit dem beschriebenen Basislayout eines erfindungsgemäßen HMD kann z.B. ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator mit 4000 x 2000 Modulatorzellen 5fach vergrößert werden. Für den räumlichen Sichtbarkeitsbereich (fiel of view, FOV) kann ein Öffnungswinkel von z.B. 26 ° deg und eine Größe des Betrachterfensters von 15 mm erreicht werden. Die Abbildungsoptik mit Feldlinsenfunktion 500 kann refraktiv, diffraktiv oder reflektiv ausgestaltet sein. Auch Kombinationen, wie beispielsweise ein refraktives System mit diffraktiver Korrektur sind möglich.
Um den Flickereffekt zu reduzieren, kann der SLM 200 vorteilhaft anstelle der Folge 1 , 2, 3, 4, 5 beispielsweise mit der Folge 2, 4, 1 , 3, 5 für das Segmentieren angesteuert werden.
Eine Optimierung der Rekonstruktions-Reihenfolge der zu erzeugenden 3D Szene kann in Bezug auf das Segment des SLM 200 und in Bezug auf die Farbe erfolgen.
Fig. 3 bis 5 zeigen rein schematisch einige typische Strahlenverläufe zum Erzeugen eines vergrößerten virtuellen Modulatorbildes, wie sie auch aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Fig. 3 zeigt in der Draufsicht das Prinzip zum Erzeugen eines vergrößerten virtuellen Bildes 220 des SLM 200 im räumlichen Sichtbarkeitsbereich eines Head-Mounted Displays (HMD) bzw. Hokulars an Hand eines ungefalteten Strahlenverlaufs mit einer Mehrfachabbildung einschließlich der Filterung höherer Beugungsordnungen. Das HMD weist eine Beleuchtungseinrichtung 100 auf, die eine Lichtquelle 1 10, z.B. eine Laserdiode, und eine Kollimationsoptik 120 , z. B. eine Linse, zum Kollimieren des Lichtes der Lichtquelle 1 10 enthält, die ebene kohärente Wellenfronten auf den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator SLM 200 leiten. Ein 4f-Abbildungssystem 500, das hier die beiden Linsensysteme 510 und 520 aufweist, ist dem SLM 200 nachgeordnet. Es bildet den SLM 200 auf ein Zwischenbild 280 ab. Das Linsensystem 500 hat vorteilhaft eine räumliche Filterfunktion für höhere Beugungsordnungen der vom SLM 200 dynamisch kodierten Wellenfronten. Die Unterdrückung der von der räumlichen Modulatorbildpunktmatrix des SLM 200 herrührenden höheren Beugungsordnungen ist vorteilhaft, wenn die, die Qualität der Rekonstruktion störende Möglichkeit besteht, dass diese Ordnungen in die Eintrittspupille EP des Betrachterauges 1000 gelangen. Ein dafür notwendiger Filter 590 kann beispielsweise in Form einer Lochblende im gemeinsamen Brennpunkt der Linsensysteme 510, 520 angeordnet sein.
Ein Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik 800 folgt im weiteren Strahlenverlauf zur Augenpupille dem 4f-Abbildungssystem 500 mit dem das Betrachterauge 1000 das Bild 280 des SLM 200 als vergrößertes virtuelles Bild 220 wahrnimmt.
An Stelle des SLM 200 kann sich auch ein durch eine Lichtablenk-Einrichtung erzeugtes zusammengesetztes Modulatorbild befinden.
Bevorzugt kann eine solche steuerbare Lichtablenk-Einrichtung mindestens zwei steuerbare Schichten aufweisen, die als zwei steuerbare Flüssigkristallschichten ausgebildet sein können. Eine der Schichten kann optional ein Volumenhologramm mit eingeschriebenen Strahlenverläufen enthalten.
Optional kann die Lichtablenk-Einrichtung auch andere steuerbare Lichtablenk-Elemente teilweise oder vollständig aufweisen. Diese können beispielsweise Elemente mit steuerbar veränderbarem Keilwinkel aufweisen, wie sie aus Anwendungen zur Bildstabilisierung in Photoobjektiven bekannt sind.
2D und 3D Bilder bzw. Rekonstruktionen können in einzelnen Bereichen oder insgesamt im räumlichen Sichtbarkeitsbereich dargestellt werden.
In Fig. 4 ist die in Fig. 3 dargestellte Ausführung eines HMD in Draufsicht mit gefaltetem Strahlenverlauf zu sehen. Durch die Faltung weist der Strahlenverlauf zwei zusätzliche Spiegel 920 und 930 zum Weiterleiten der kohärenten Wellenfronten auf. Als SLM 200 ist hier eine reflexive Ausführung, beispielsweise ein reflektiver Flüssigkristallmodulator mit einem Siliziumsubstrat (liquid crystal on Silicon, LCOS) oder eine Mikrospiegelanordnung (microelectromechanical Systems, MEMS; digital micromirror device, DMD), eingesetzt, der über eine flache Vorderseitenbeleuchtung 150 (front light unit, FLU) beleuchtet wird. Dazu wird das in der Lichtquelle 1 10, hier beispielsweise einer Laserlichtquelle, erzeugte kohärente Licht über die Kollimationsoptik 120 und einen Umlenkspiegel 910 in einen keilförmigen Wellenleiter der flachen Vorderseitenbeleuchtung 150 eingekoppelt. Der SLM 200 kann im Falle eines Phasenmodulators optional eine Strahlvereinigungsoptik BC 300 enthalten, um komplexwertige Modulationswerte zur Hologrammrekonstruktion zu erhalten.
Auch hier kann sich an Stelle des SLM 200 ein durch eine Lichtablenk-Einrichtung erzeugtes zusammengesetztes Modulatorbild befinden. Eine Lichtablenk-Einrichtung kann in vorteilhafter Weise in einer konjungierten Ebene des SLM angeordnet werden.
Fig. 5 zeigt das Prinzip einer einstufigen virtuellen Vergrößerung des SLM 200 als kompaktes Setup eines HMD. Eine Nachführeinrichtung kann wegen der engen Anordnung der einzelnen Bauelemente bzw. der Vereinigung ihrer Funktionen in mindestens einer gemeinsamen steuerbaren Schicht und der sehr großen Vergrößerung des Betrachterfensters entfallen. Wie in Fig. 4 wird das durch die Kollimationsoptik 120 kollimierte Licht der Lichtquelle 1 10 durch eine flache Vorderseitenbeleuchtung 150 auf den SLM 200 gelenkt. Eine optionale Strahlvereinigungsoptik 300 kann vor dem SLM 200 angeordnet werden, um das Licht, das von mehreren Modulatorzellen moduliert wurde, jeweils zu einem gemeinsamen komplexen Hologrammwert zu vereinigen. Der räumliche Lichtmodulator SLM 200 wird in eine Ebene innerhalb der Brennweite einer Vergrößerungslinse, die vorteilhaft als vergrößerndes Abbildungssystem ausgelegt wird, abgebildet. Die Wellenfronten gelangen im weiteren Strahlengang über den Spiegel 930 zur Augenpupille des Betrachterauges 1000, mit der das virtuelle Bild 220 des SLM 200 in einer Ebene des räumlichen Sichtbarkeitsbereich als Bildschirm vergrößert sichtbar ist. Diffraktive Optiken in der Form von Volumengittern eignen sich beispielsweise gut für kompakte Strahlengänge, die das vorgeschlagene Prinzip umsetzen.
Wie in Fig. 3 und 4 kann sich an der Stelle des SLM 200 ein durch eine Lichtablenk-Einrichtung erzeugtes zusammengesetztes Modulatorbild befinden.
Wird der Spiegel 930 gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 halbdurchlässig oder steuerbar halbdurchlässig ausgeführt, sind AR-Anwendungen möglich. Fig. 6 zeigt ein holographisches Projektions-System. Der SLM 200 wird mit der Lichtquelle 1 10 und der Kollimationsoptik 120 über den Umlenkspiegel 910 und mittels einer flachen Vorderseitenbeleuchtung 150 rein beispielhaft beleuchtet. Optional kann eine Strahlvereinigungsoptik 300 vor dem SLM 200 angeordnet sein. Das hier nicht dargestellte vergrößerte zusammengesetzte virtuelle Bild des SLM 200 erscheint beispielsweise in einer Entfernung von 1 m in der Größe eines 42" Displays. In dieser Ebene entspricht es beispielsweise einem dynamischen 3D-Bilderrahmen.
Der Strahlenverlauf enthält eine Spiegeloptik 950, 960, 970 und eine steuerbare Lichtablenk- Einrichtung 400, mit welcher der räumliche Lichtmodulator SLM 200 wenigstens duplizierbar ist. Vorteilhaft ist hier, dass die Lichtablenk-Einrichtung 400 einschichtig ausgebildet sein kann, da nur eine Ablenkung des Modulatorbildes erfolgen braucht und kein Versatz. Im Zwischenbild 270 liegen die unterschiedlichen Modulatorbilder nebeneinander vor.
Die Lichtablenk-Einrichtung 400 kann auch mit einer statischen Lichtablenk-Einrichtung in Verbindung mit einem steuerbaren segmentierten Shutter ausgestaltet werden.
Das Projektionssystem ist auch mit einer Blenden-Ebene in der Ebene des Betrachterfensters ausführbar, wodurch höhere Beugungsordnungen unterdrückt werden können. Der Spiegel 970 kann beispielsweise zu einem refraktiven Bauteil umgewandelt werden. Die vom SLM 200 kommenden und auf ihn auftreffenden Strahlen werden in diesem Fall unter Totalreflexion (FTIR) zur Eintrittspupille (EP) des Betrachterauges reflektiert. Auf diese Weise kann ein Durchsicht-Display realisiert werden. Mit einem je nach Situation zuschaltbaren Shutter kann diese Option aktiviert und deaktiviert werden. Die Funktion der Spiegeloptik 970 kann beispielsweise auch mit einem Reflexions-Volumenhologramm realisiert werden. Die Winkel- und Wellenlängenselektivität kann derart eingeschränkt werden, dass ein Durchsicht-Display realisiert wird. Auch hier kann ein zusätzlicher Shutter eingesetzt werden.
In Fig. 7 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei der eine Lichtablenk-Einrichtung 450 hinter einer Feldlinse positioniert ist. Die Lichtablenk-Einrichtung 450 enthält wie beispielsweise in Fig. 1 oder Fig. 2 ein erstes und ein zweites Lichtablenkmittel 460 und 470, von denen mindestens eines steuerbar ausgeführt ist.
Die Lichtablenk-Einrichtung 450 kann auch mit einer Nachführeinrichtung, welche das Betrachterfenster den Augen- und/oder den Pupillenbewegungen des Betrachterauges 1000 nachführt, zu einer Lichtablenk- und Nachführeinrichtung kombiniert werden. Durch eine solche Anordnung kann eine Vergrößerungsoptik 810 zwischen dem SLM 200 und der Lichtablenk-Einrichtung 450 gegenüber einer Anordnung, bei der sich eine Lichtablenk-Einrichtung vor einem Linsensystem befindet, klein gehalten werden.
In der Ebene des SLM 200 kann auch eine reelle Feldlinse angeordnet werden.
Fig. 8 verdeutlicht die größere Baugröße eines Abbildungssystems mit Vergrößerungsoptik 800, wie es in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 oder Fig. 4 angeordnet ist. Da es bereits das zusammengesetzte Zwischenabbild 270 eines hier nicht dargestellten SLM abbildet, ist sein benötigter Durchmesser bei einer vergleichbaren SLM-Größe und bei vergleichbaren Abbildungsverhältnissen größer. Eine optionale Nachführeinrichtung 600 kann in den Strahlengang zwischen dem Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik 800 und dem Betrachterauge 1000 angeordnet werden.
In Fig. 9 ist schematisch gezeigt, wie durch den Einsatz zweier Spiegel 920 und 930 zur Strahlumlenkung eine Bautiefenverkürzung in einer Ausgestaltungsvariante erfolgen kann, bei der die Lichtablenk-Einrichtung 450 hinter der Vergrößerungsoptik 810 für den SLM 200 angeordnet ist. Auch hier sind nur relativ kleine Durchmesser der Linsen der Vergrößerungsoptik 810 und der Spiegel 920, 930 zur Strahlumlenkung erforderlich, da die Mehrfachabbildung des SLM 200 durch die Lichtablenk- Einrichtung 450 erst hinter diesen Bauelementen erfolgt. Der Umlenkspiegel 930 kann auch halbdurchlässig oder schalt- bzw. steuerbar halbdurchlässig ausgestaltet werden, um AR- Anwendungen zu ermöglichen. Fig. 10 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsvariante bei der die Umlenkspiegel gleichzeitig Teil der Lichtablenk-Einrichtung 450 sind. Mindestens ein Lichtablenkmittel 460, 470 der Lichtablenk- Einrichtung 450 ist dabei steuerbar ausgeführt, um im Zeitmultiplexbetrieb eine Mehrfachabbildung des SLM 200 zu ermöglichen. Dies ist in vorteilhafter Weise das Lichtablenkmittel 460, wobei 470 als Reflexionshologramm ausgeführt ist, welches mehrere Rekonstruktionsgeometrien beinhaltet. Die Vergrößerungsoptik 810 mit Lupenfunktion sorgt dafür, dass das Betrachterauge 1000 die Mehrfachabbildung im vorgegebenen virtuellen Betrachterabstand wahrnimmt. Das durch die Lichtablenkmittel 460 und 470 unabgelenkt hindurch laufende Licht d. h. die 0. Beugungsordnung, wird nicht genutzt und kann mit geeigneten absorbierenden oder abschattenden Mitteln unterdrückt werden, so dass es nicht ins Betrachterauge 1000 gelangen kann. Dadurch können auch feste oder variable Beugungsgitter in den Lichtablenkmitteln 460, 470 verwendet werden, die nur eine geringe Beugungseffektivität aufweisen brauchen. Das Lichtablenkmittel 460 ist als Transmissionshologramm ausgeführt, in das mehrere Ablenkrichtungen eingeschrieben sind, oder es kann das Licht steuerbar ablenken. Diese Lichtablenkmittel 460, 470 können auch matrixförmige Anordnungen mit mehreren oder mit einer Vielzahl von Zellen, die in ein oder zwei Dimensionen schalt- oder steuerbar ausgeführt sind, aufweisen, um zusätzliche Feldlinsen- oder Korrekturfunktionen zu ermöglichen oder zu unterstützen. Auch hier kann in der Ebene des reellen SLM 200 eine reelle Feldlinse angeordnet werden.
An Stelle von Volumengittern können auch diffraktive oder reflektive Ablenkmittel eingesetzt werden. Solche Schichten können beispielsweise Zellen von schalt- oder steuerbaren Elektrobenetzungszellen aufweisen, die eine variable Keilfunktion realisieren.
In Fig. 1 1 ist schematisch der Einsatz eines gewölbten Spiegels 970 zur Verkürzung der Baulänge in Verbindung mit der Lichtablenk-Einrichtung 400 zur Mehrfachabbildung des SLM 200 hinter der Vergrößerungsoptik 810 dargestellt. Rein beispielhaft wird dabei der hier reflektiv ausgeführte SLM 200 mit der Lichtquelle 1 10, die beispielsweise als Laserlichtquelle ausgestaltet sein kann, über die Kollimationsoptik 120, den Umlenkspiegel 910 und der flachen Vorderseitenbeleuchtung 150 beleuchtet. Mit Hilfe der Vergrößerungsoptik 810 und der Lichtablenk-Einrichtung 400 wird der SLM 400 mehrfach in einer oder zwei Dimensionen nebeneinander als reelles zusammengesetztes Zwischenbild 270 abgebildet, so dass ein hochauflösender räumlicher Lichtmodulator entsteht. Über den gewölbten Spiegel 970 wird die holographische Rekonstruktion, die vom zusammengesetzten räumlichen Lichtmodulator erzeugt wird, nochmals vergrößert wahrgenommen. Zum Erzeugen einer hochwertigen holographischen Rekonstruktion kann dem SLM 200 wie in allen Ausführungsbeispielen eine Strahlvereinigungsoptik 300 nachgeschaltet sein, um komplexwertige Modulationswerte hoher Güte zu erhalten.
Fig. 12a zeigt ein gegenüber Fig. 1 1 leicht modifiziertes Ausführungsbeispiel. Hier sitzt am Ort des Zwischenbildes 270 ein optisch adressierbarer räumlicher Lichtmodulator (optical addressable spatial light modulator, OASLM) 250. Auf ihn wird der SLM 200 über die Abbildungsoptik 810 und die Lichtablenk-Einrichtung 400 nebeneinander in zeitlicher Folge vervielfältigt. Die Lichtablenk-Einrichtung 400 kann zusätzlich abbildende Eigenschaften besitzen oder die Abbildungsoptik 810 ganz ersetzen. Die Abbildungsoptik bzw. zusätzliche Abbildungsfunktion kann zum Erzielen eines kleinen Abbildungsrasters auf den OASLM 250 auch verkleinert abbilden.
Der OASLM 250 bildet einen sekundären räumlichen Lichtmodulator hoher Auflösung. Die in den OASLM 250 durch die Mehrfachabbildung des SLM 200 einkodierte holographische Information wird vom Betrachterauge 1000 über die gewölbte Spiegeloptik 970 vergrößert als Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene wahrgenommen. Eine kohärente Lichtquelle 160, die vorzugsweise eine Laserlichtquelle ist, beleuchtet den OASLM 250 über eine Kollimationsoptik 170, einen optionalen Umlenkspiegel 980 und eine flache Vorderseitenbeleuchtung 170 zum Auslesen der über den SLM 200 eingeschriebenen zusammengesetzten Information zur Rekonstruktion der holographischen dreidimensionalen Szene.
Bei Verwendung eines transmissiven OASLM kann die Vorderseitenbeleuchtung alternativ als Rückseitenbeleuchtung (back light unit, BLU) ausgebildet werden. Dem OASLM kann in Strahlrichtung eine optionale Strahlvereinigungsoptik 300 nachgeschaltet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante, welche in Fig. 12b dargestellt ist, erfolgt das Auslesen des OASLM 250, der als transparenter Phasenmodulator ausgebildet ist, über den SLM 200, der als Amplitudenmodulator sowohl für das Einschreiben der Phasenwerte in den OASLM 250 dient als auch für das Auslesen der zugehörigen Phasenwerte mit in den SLM 200 einkodierten Amplitudenwerten. Beide zusammen bilden dabei einen komplexwertigen Modulator. Ein Strahlvereinigungsoptik wird damit überflüssig. Gleichzeitig steigt die räumliche Auflösung, da nicht mehrere Modulatorzellen des SLM 200 zum Einkodieren eines komplexen Wertes verwendet werden müssen. Das Einschreiben der Phasenwerte kann über eine andere Wellenlänge erfolgen, als das Auslesen der Phasenwerte mit den Amplitudenwerten. Der Photoleiter des OASLM 250 kann dabei nur für die Einschreibwellenlänge, beispielsweise im nahen UV-Bereich, sensibilisiert sein. Die einzelnen Bereiche des OASLM 250, auf die der SLM 200 nacheinander abgebildet wird, können auch so ausgestaltet werden, dass sie bereichsweise für einen Einschreibvorgang sensibel geschaltet werden können oder sich zum Auslesen inaktiv schalten lassen, wobei die eingeschriebene Phaseninformation gespeichert bleibt. Nach erfolgtem Auslesens ist es vorteilhaft, wenn der OASLM 250 segmentweise oder ganzflächig über einen Löschimpuls gelöscht werden kann. Alternativ kann beim Auslesen mit kurzen Lichtimpulsen gearbeitet werden. Der Photoleiter hat dann ausreichend Zeit zum Abfließen der alten Ladungsträger, z. B. in der Zeit, in der ein oder alle übrigen Segmente eingeschrieben und/oder ausgelesen werden, da dieser Teil des OASLM 250 in dieser Zeitspanne nicht beleuchtet wird. Bei einer farbigen Darstellung, die bevorzugt ist, werden die Farbebenen ebenfalls in zeitlicher Abfolge erzeugt.
In Fig. 13 wird schematisch jeweils für ein linkes und ein rechtes Betrachterauge 1001 , 1002 eines Betrachters die Erzeugung eines virtuellen hochauflösenden zusammengesetzten SLM-Bildes über jeweils einen dünnen Wellenleiter 1 101 und 1 102 gezeigt. Eine binokulare Anordnung, wie hier gezeigt, ist die bevorzugte Variante für ein holographisches HMD und aller hier gezeigten Ausführungsbeispiele.
Die optischen Komponenten für das linke und für das rechte Betrachterauge 1001 , 1002 sind weitestgehend identisch bzw. spiegelsymmetrisch aufgebaut, so dass nur der Kanal für das linke Betrachterauge 1001 beschrieben wird. Ein hier beispielhaft reflektiv arbeitender SLM 201 wird über eine flache Vorderseitenbeleuchtung 151 beleuchtet. Dazu wird kohärentes Licht einer nicht dargestellten Lichtquelle über eine Kollimationsoptik 121 in die Vorderseitenbeleuchtung eingekoppelt. Dem SLM 201 kann optional eine Strahlvereinigungsoptik 301 nachgeschaltet werden. Über eine Vergrößerungsoptik 81 1 gelangt die durch den SLM 201 modulierte Wellenfront auf eine Lichtablenk- Einrichtung 401 . Diese erzeugt zeitsequentiell verschiedene Winkelspektren, die über eine Einkoppeloptik 1 1 1 1 , vorzugsweise einem Volumengitter, in den an sich bekannten dünnen Wellenleiter 1 101 mit einem flachen Winkel eingekoppelt werden, so dass sich das Licht aller Einkoppelwinkel über Totalreflexion an den beiden Grenzflächen des Wellenleiters 1 101 , die parallel zueinander angeordnet sind, in Richtung des Wellenleiters 1 101 ausbreitet. Der Wellenleiter 1 101 muss dabei nicht vollständig planar sein, sondern kann auch eine gekrümmte Oberfläche besitzen. Über mehrere reflektive Volumengitter 1 121 -1 123, die jeweils für einen unterschiedlichen Winkelbereich ausgelegt sind, wird jeweils das Licht eines durch die Lichtablenk-Einrichtung 401 erzeugten Winkelspektrums in Richtung des Betrachterauges 1001 aus dem Wellenleiter 1 101 ausgekoppelt. Das Betrachterauge 1001 nimmt dabei die Rekonstruktion der in den SLM 201 einkodierten Hologramminformationen war. Dieses wird in zeitlicher Abfolge durch das vergrößerte zusammengesetzte virtuelle Bild des SLM 201 erzeugt.
Die Lichtablenk-Einheit 401 kann hier nur ein Lichtablenkmittel enthalten, das vorzugsweise ein diffraktives steuerbares Flüssigkristall-Gitter mit variabler Gitterperiode enthält. Die reflektiven Auskoppelgitter 1 121 -1 123 bilden dabei die zweite Schicht der Lichtablenk-Einheit 401 . Sie können auch in Form dielektrischer Schichtstapel ausgeführt werden. Ihre Funktion besteht darin, an einem definierten Ort entlang des Wellenleiters 1 101 jeweils einen definierten Einfallswinkel in einen definierten Ausfallswinkel und somit in einen definierten Auskoppelwinkel umzuwandeln. Das Einkoppelgitter 1 1 1 1 kann auch reflektiv ausgeführt werden und auf der der Lichtablenk-Einheit 401 abgewandten Seite des dünnen Wellenleiters 1 101 angeordnet werden. Ebenso können die Auskoppelgitter 1 121 -1 123 transmissiv ausgeführt werden und auf der dem Auge zugewandten Seite des dünnen Wellenleiters 1 101 angeordnet werden.
Die Lichtablenk-Einrichtung 401 kann auch zwischen der Abbildungsoptik 81 1 und dem SLM 201 angeordnet werden, was jedoch, wie bereits in Fig. 8 gezeigt, die Baugröße der Abbildungsoptik erhöht. Wird die Lichtablenk-Einrichtung 401 an dieser Stelle zweischichtig aufgebaut, kann sie direkt die zeitlich und räumlich versetzte Mehrfachabbildung erzeugen, wodurch allerdings auch ein größeres Einkoppelgitter 1 1 1 1 benötigt wird. Wird die Lichtablenk-Einrichtung 401 an dieser Stelle einstufig ausgestaltet, befinden sich die virtuellen Bilder der SLM-Segmente, im Gegensatz zu der Darstellung von Fig. 8, nicht mehr in einer Ebene, sondern bilden jeweils einen Winkel zueinander. Dies muss bei der Kodierung der Hologrammwerte berücksichtigt werden.
Auch bei den Anordnungen nach Fig. 13 können den SLM's 201 , 202 jeweils ein Strahlvereinigungsoptik zur Erzeugung komplexwertiger Hologrammwerte nachgeschaltet sein.
Ebenso können auch hier, wie in Fig. 12, OASLM's zur Erzeugung der holographischen Rekonstruktionen eingesetzt werden. Bei schnellen elektrisch adressierbaren SLM's zum Einschreiben in den OASLM oder, wie bereits in Fig. 12 beschrieben, zur Erzeugung komplexwertiger Hologrammwerte, kann die Mehrfachabbildung auch zweistufig durch je eine Lichtablenk-Einrichtung zwischen dem elektrisch adressierbaren SLM und dem OASLM zum einen und hinter dem OASLM zum anderen erfolgen. Dabei müssen auch die eingesetzten OASLM eine hohe Schaltfrequenz besitzen, d.h. sie müssen eine hohe Bildrate erzeugen können.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des Anzeigegerätes ist die Lichtablenk- Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet, dass steuerbar in einer zeitlichen Abfolge mindestens eindimensional eine aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 ,202, 206, 207, 250) in einem flachen Wellenleiter erzeugbar ist. Im Folgenden werden rein schematisch eine Reihe weiterer Ausgestaltungsvarianten aufgeführt, die sich besonders für stationäre bzw. tragbare holographische Anzeigegeräte eignen, bei dem sich das Betrachterauge in der Nähe zu einem Okular befindet (Holokular). Da hier nicht so hohe Ansprüche an die Platzverhältnisse gestellt werden, können zumindest teilweise ungefaltete Lichtwege und Systeme mit einer mehrstufigen Abbildung vorteilhaft angewendet werden. Besonders bei großen Vergrößerungen lassen sich so Bildfehler besser korrigieren. In Fig. 14 ist schematisch der Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung 400 in einem System mit mehrstufiger Abbildung dargestellt.
Eine Lichtmodulationseinheit 260, wie sie beispielsweise in Fig. 6 näher ausgeführt wird, befindet sich vor einem teleskopischen Abbildungssystem, welches die beiden Linsensysteme 510 und 520 aufweist und in deren gemeinsamen Brennebene eine Blende 590 angeordnet ist. Dieses bildet den SLM von der Lichtmodulationseinheit 260 in die Objektebene des Abbildungssystems mit Vergrößerungsoptik 800, welches im wesentlichen Figur 8 entspricht und sich vor dem Betrachterauge 1000 befindet, ab.
Je nach gewünschter Gesamtvergrößerung und dem Rasterabstand des SLM kann die Abbildung der ersten Stufe vergrößert, verkleinert oder im Maßstab 1 :1 erfolgen. Dabei kann die Abbildung auch anamorphotisch erfolgen. Durch die Lichtablenk-Einrichtung 400 wird dabei der SLM mehrfach in die Objektebene des Abbildungssystems mit Vergrößerungsoptik 800 als zusammengesetztes Zwischenbild 270 abgebildet. Die Lichtablenk-Einrichtung 400 enthält hier beispielhaft als erstes Lichtablenkmittel 410 ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter variablen Gitterabstandes und als zweites Lichtablenkmittel 420 ein Multiplex-Volumengitter, in das für jede Teilabbildung und jede Abbildungswellenlänge jeweils ein eigenes Volumengitter eingeschrieben ist. Die Auswahl des für die jeweilige benötigte Abbildung und benötigte Wellenlänge ausgewählten Volumengitters erfolgt dabei durch den aktuellen Beugungswinkel des Lichtablenkmittels 410 und der aktuellen Wellenlänge einer Farbmultiplex-Lichtmodulationseinheit 260. Eine anamorphotische Abbildung kann auch durch die Lichtablenk-Einrichtung 400 ausgeführt werden oder durch diese unterstützt werden. Enthält eine Lichtmodulationseinheit 260 beispielsweise holographisch optische Elemente (HOE), die in vorteilhafter Weise als Volumengitter ausgebildet sind, so kann neben einer kollimierten Beleuchtung beispielsweise auch ein Planwellenspektrum, wie es bei einer eindimensionalen holographischen Kodierung benötigt wird, gezielt in Verbindung mit einer Kollimationseinheit eingestellt werden. Zudem lassen sich als beleuchtendes Wellenfeld auch Wellenfrontkrümmungen, d.h. beispielsweise auch sphärische Wellen, implementieren, was neben der Erhöhung der durch das optische System propagierenden Lichtstärke auch die Möglichkeit eröffnet, Aberrationen des Systems zu korrigieren. Z. B. kann gezielt eine auf dem SLM lokal vorliegende Abweichung der Wellenfrontnormalen mit der beleuchtenden Wellenfront korrigiert werden. So können beispielsweise Öffnungsfehler und/oder fehlerhafte Helligkeitsverteilungen des zusammengesetzten Modulatorbildes korrigiert werden. Die Lichtablenk-Einrichtung 400 kann generell zusätzliche Korrektur- und Wellenfrontformungsfunktionen ausführen. Die Herstellung der benötigten Volumengitter durch eine Hologrammbelichtung kann dabei direkt im eingesetzten optischen Aufbau erfolgen, wobei die gewünschte Ausgangsverteilung als Referenzwelle für die Belichtung dient. Bei einer solchen InSitu- Belichtung können sämtliche auftretende Bildfehler berücksichtigt werden. Sind Aberrationen z. B. aus Simulationen eines verwendeten Optik-Design-Programms bekannt, so können aus diesen und aus den Sollwerten Computer generierte Hologramme (CGH) zur Korrektur berechnet werden. Diese können beispielsweise bei der Aufnahme verwendeter Volumengitter oder auch direkt im Strahlengang verwendet werden. Im Vergleich zu Fig. 14 ist in Fig. 15 schematisch noch einmal die Anordnung einer Lichtablenk- Einrichtung zwischen einem Betrachterauge 1000 und einer Vergrößerungsoptik 810 in einer zweistufigen Abbildung dargestellt. Die Vergrößerungsoptik der zweiten Abbildungsstufe entspricht dabei weitestgehend Fig. 7. Allerdings wird durch sie nicht der SLM direkt vergrößert abgebildet, sondern ein Zwischenbild 280. Dieses Zwischenbild 280 des SLM der Lichtmodulationseinheit 260 wird durch das teleskopische Abbildungssystem, welches die beiden Linsensysteme 510 und 520 enthält, erzeugt. Auch hier kann vorteilhaft in der gemeinsamen Brennebene der Linsensysteme 510 und 520 eine Blende 590 zur Unterdrückung höherer Beugungsordnungen, welche vom SLM-Raster erzeugt werden, angeordnet sein. Die erste Stufe entspricht dabei weitestgehend der ersten Stufe von Fig. 14. Wie in Fig. 7 im Vergleich zu Fig. 8 kann auch die numerische Apertur der zweiten Stufe von Fig. 15 im Vergleich zu Fig. 14 reduziert werden, da die Lichtablenk-Einrichtung erst hinter diesem Linsensystem angeordnet ist.
Die erste Abbildung des SLM der Lichtmodulationseinheit 260 auf das Zwischenbild 280 kann beispielsweise auch mittels des ersten Linsensystems 510 erfolgen, welches auf„Unendlich" korrigiert ist, und dem zweiten Linsensystem 520, welches analog zur Tubuslinse moderner Mikroskope ein Bild erzeugt. Die zur Filterung des Betrachterfensters verwendete Aperturblende 590 kann sich beispielsweise in der hinteren Brennebene des ersten Linsensystems 510 und damit in der ersten Fourier-Ebene des SLM befinden.
Da die Darstellung des 3D-Objektes holographisch erfolgt, ist es möglich, Aberrationen, wie die Bildfeldwölbung, bei der Kodierung der Objektpunkte zu berücksichtigen, um beispielsweise flache, unverzerrte Ebenen darstellen zu können.
Bildfehler, die für jedes Multiplex-Segment der Mehrfachabbildung eines SLM unterschiedlich ausfallen können, lassen sich ebenfalls bei der Kodierung der 3D-Szene oder auch mit zusätzlichen, hier nicht dargestellten Korrekturelementen kompensieren. Diese können beispielsweise neben der Phase und lokal auftretenden Winkeländerungen auch die Amplitude korrigieren. Ein solches Element kann hier beispielsweise in der Nähe des Zwischenbildes 280 angeordnet werden. Dies kann beispielsweise eine Phasenkorrekturplatte sein, die neben einer angepassten Korrekturphasenverteilung eine angepasste Korrekturamplitudenverteilung aufweist.
Neben der bevorzugten Verwendung von steuerbaren diffraktiven Gittern, die auch in Kombination mit Multiplex-Volumengittern eingesetzt werden können, lassen sich in der Lichtablenk-Einrichtung 400 auch andere geeignete Lichtablenkelemente einsetzen bzw. kombinieren.
So lassen sich Prismen mit steuerbarem Keilwinkel, wie sie auch für Bildstabilisierungsanwendungen eingesetzt werden, gut als steuerbare Lichtablenk-Elemente einsetzen. Sie können vorteilhaft auch zur schon früher beschriebenen Nachführung des Betrachterfensters nach den Augenbewegungen angewendet werden, wenn das Betrachterfenster für eine komfortable Betrachtung der SD- Rekonstruktion zu kleine Abmessungen besitzt. Fig. 16 zeigt schematisch eine solche Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten steuerbaren Lichtablenkmittel 410, 420 in einer Lichtablenk-Einrichtung 400, die als steuerbare Prismen mit variablem Keilwinkel ausgestaltet sind. Sie werden zur Mehrfachabbildung des SLM einer Lichtmodulationseinheit 260 zwischen einem teleskopischen Abbildungssystem, welches die beiden Linsensysteme 510, 520 enthält, und einem Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik 800, wie es in Fig. 8 beschrieben wurde, angeordnet. Die Mehrfachabbildung entsteht als Zwischenabbildung 270. Das teleskopische Abbildungssystem kann wieder eine Blende 590 enthalten. Das zeitsequentiell segmentierte Aufspannen des Betrachterraumes kann, wie hier gezeigt, rein mit refraktiven Elementen ausgestaltet werden. Durch Verlängerung der Baulänge des optischen Systems kann der steuerbare Keilwinkelbereich der variablen Prismen reduziert werden.
In Vorrichtungen, die nur eine Verkippung und keine Versetzung des Strahlenganges erfordern, reicht ein solches Lichtablenkmittel.
Als weiteres Lichtablenkmittel lassen sich steuerbar verschiebbare Linsen einsetzen. Diese können vorteilhaft auch als diffraktive Optiken ausgestaltet werden, um kleine Trägheitsmomente und damit hohe Beschleunigungen bei einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung zu erzielen. Dabei kann es vorteilhaft sein, den SLM verkleinert auf die verschiebbare diffraktive Optik abzubilden um die Baugröße und damit deren Gewicht weiter zu reduzieren.
Es können auch Anordnungen mit Kipp- und/oder Hubspiegeln, sowie Anordnungen mit rotierenden Polygonspiegeln verwendet werden, um mit synchronisierter Beleuchtung eine Mehrfachabbildung eines SLM auszugestalten.
Fig. 17 demonstriert das Prinzip des Strahlversatzes mit Hilfe zweier steuerbarer Umlenkspiegel 41 1 , 421 , welche mit hoher Geschwindigkeit gleichsinnig zueinander verdreht werden können.
Eine Anordnung zur schnellen Verschiebung von Strahlenbündeln unter Verwendung eines schnellen steuerbaren Hubspiegels 414 für den Einsatz in einer Lichtablenk-Einrichtung zur Mehrfachabbildung zeigt Fig. 18. Der steuerbare Hubspiegel 414 befindet sich vor zwei Umlenkspiegeln 412, 413.
Die Anordnungen nach Fig. 17 und Fig. 18 können auch miteinander kombiniert werden um steuerbar eine zusätzliche Verkippung des Strahlenganges zu erreichen. Damit kann beispielsweise ein zusätzliches Nachführung realisiert werden.
Fig. 19 zeigt schematisch den Einsatz zweier Lichtablenkmittel 410, 420 als Lichtablenk-Einrichtung 400 in einem zweistufigen Abbildungssystem, die als steuerbar verdrehbare Umlenkspiegel ausgestaltet sind. Sie werden wie in Fig. 17 ebenfalls gleichsinnig verdreht, kehren jedoch die Lichtrichtung im Gegensatz zu Fig. 17 um. Wie in Fig. 16 werden auch sie zur Mehrfachabbildung des SLM einer Lichtmodulationseinheit 260 zwischen einem teleskopischen Abbildungssystems mit den beiden Linsensystemen 510, 520 und einem Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik 800, wie es in Fig. 8 beschrieben wurde, angeordnet. Auch hier kann eine optionale Blende 590 angeordnet werden. Die Mehrfachabbildung entsteht als Zwischenbild 270. Die Anordnung der beiden steuerbaren Umlenkspiegel 410, 420 erlaubt zugleich eine Faltung des Strahlenganges und damit eine Verkürzung der Baulänge.
Wird keine Faltung benötigt, kann zum Strahlversatz für eine Mehrfachabbildung auch eine steuerbar rotierbare planparallele Platte eingesetzt werden. Diese wird vorteilhaft achromatisch ausgestaltet. Drehwinkel, Brechkraft und Plattenstärke bestimmen dabei den Strahlversatz. Wird statt der planparallelen Platte eine Linse verwendet, die auch anamorphotisch ausgestaltet sein kann, lässt sich zusätzlich eine Feldlinsenfunktion in ein oder zwei Richtungen realisieren. Eine solche Anordnung eignet sich auch gut, falls erforderlich, zur Nachführung des Betrachterfensters auf die Augenbewegung, da dort geringere Stellgeschwindigkeiten benötigt werden.
Fig.20 zeigt schematisch den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung 400 mit zwei Lichtablenkmitteln 410, 420, die als steuerbares Ablenkgitter und als Multiplex-Reflexions- Volumengitter zur Mehrfachabbildung in einem zweistufigen Abbildungssystem ausgestaltet sind. Der Einsatz eines reflektiven Volumengitters erlaubt gegenüber einer transmissiven Ausführung, wie sie in Fig.14 dargestellt ist, einfacher die Strahlrichtung zusätzlich zu ändern.
Das dem Betrachterauge zugewandte Lichtablenkmittel 420 der Lichtablenk-Einrichtung 400 in Fig.19 und Fig. 20 kann auch halbdurchlässig oder steuerbar halbdurchlässig ausgebildet werden, um AR- Anwendungen zu ermöglichen. Zusätzlich kann es einen Polarisator, der z.B. als Drahtgitterpolarisator (wire grid polarizer, WGP) ausgebildet ist, enthalten. Dessen Orientierung ist in vorteilhafter Weise so ausgeführt, dass von Pfützen, Glasflächen und anderen realen Objekten direkt reflektiertes Licht, welches im Betrachterauge zu störenden Lichtreflexen führen würde, an diesem Polarisator weitestgehend am Durchtritt gehindert wird. Die Polarisation des Lichtes des holographischen Anzeigegerätes mit AR Eigenschaften, welches die durch die Lichtmodulationseinheit 260 kodierte holographische Information zur Rekonstruktion der 3D Szene trägt, wird jedoch durch das Lichtablenkmittel 420 in Richtung des Betrachterauges reflektiert.
In Fig. 21 ist schematisch das Prinzip einer anamorphotischen Vergrößerung eines SLM 200 oder eines mehrfach zusammengesetzten Bildes eines SLM 270 mittels zweier Transmissions- Volumengitter 191 , 192 dargestellt, wobei die Wegdifferenzen zwischen einzelnen Strahlen kompensiert werden. Durch die Kompensation der Weglängen kann die Kohärenzlänge des Lichtes einer Lichtquelle 1 10, welches mit einer Kollimationsoptik 120 kollimiert wurde, klein gehalten werden.
Eine solche Anordnung kann in die Strahlengänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert werden. Dabei muss diese Anordnung zur anamorphotischen Streckung nicht, wie in Fig. 21 dargestellt, in unmittelbarer Nähe des SLM angeordnet werden, sondern kann beispielsweise auch in einem Bereich des Strahlenganges angeordnet werden, der ein Planwellenspektrum aufweist, welches hinreichend eingeschränkt ist. Hinreichend ist bei der Verwendung eines Volumengitters ein Planwellenspektrum, welches mit hohem Beugungswirkungsgrad gebeugt wird. Der bei einem Transmissions-Volumengitter nutzbare Winkelbereich ist umso höher, je dünner das Transmissions- Volumengitter ist. Im Allgemeinen weisen Reflexions-Volumengitter eine breitere Winkelselektivität als Transmissions-Volumengitter auf.
Das Prinzip der Kompensation einer auftretenden Weglängendifferenz kann auch mit zwei Reflexions- Volumengittern oder mit einer Kombination aus einem Reflexions-Volumengitter und einem Transmissions-Volumengitter umgesetzt werden.
Die Anordnung aus Fig. 21 kann dabei die Funktion der anamorphotischen Aufweitung mit der Funktion der Ablenkung eines Strahlenbündels bzw. der Ablenkung eines Wellenfeldes in einem Lichtablenkmittel verbinden, um eine platzsparende Faltung des Strahlenganges zu erreichen und die Anzahl eingesetzter Bauelemente zu minimieren. Durch Optimierung des optischen Designs kann die Anzahl der aktiven Komponenten reduziert werden.
Fig. 22 demonstriert schematisch den Einsatz einer Lichtablenk-Einrichtung 400 mit einem steuerbaren Ablenkgitter in der gemeinsamen Brennebene eines telezentrischen Abbildungssystems, das die beiden Linsensysteme 510, 520 enthält. In der gemeinsamen Brennebene der beiden Linsensysteme 510, 520 kann vorteilhaft eine Blende 590 zum Ausfiltern unerwünschter Beugungsordnungen, welche durch das Raster des SLM einer Lichtmodulationseinheit 260 erzeugt werden, angeordnet sein. Durch die telezentrische Auslegung und die Anordnung der Lichtablenk-Einrichtung 400 in der gemeinsamen Brennebene der beiden Linsensysteme 510, 520, ist es möglich, nur eine geeignete steuerbare Kippung durch das Lichtablenkmittel der Lichtablenk-Einrichtung 400 auszuführen, um ein zusammengesetztes Zwischenbild 270 des SLM zu erhalten. Diese Kippung kann auch durch ein anderes steuerbares Lichtablenkmittel der Lichtablenk-Einrichtung 400, beispielsweise ein steuerbares Prisma, ausgeführt werden. Die Lage des Lichtablenkmittels zur Verkippung des Starhlenganges kann auch von der Lage der Brennebene abweichen, um beispielsweise eine zusätzliche Feldlinsenfunktion zu realisieren. Dabei auftretende Überlagerungen der einzelnen Modulatorbilder lassen sich bei der Hologrammkodierung berücksichtigen.
Mit einem Abbildungssystem mit Vergrößerungsoptik 800 wird das zusammengesetzte Zwischenbild 270 weiter virtuell stark vergrößert, so dass es für das Betrachterauge in der Ebene eines virtuellen Displays, d.h. beispielsweise in einer Entfernung von 1 m bis 2 m, wahrnehmbar wird.
Das hier vorgeschlagene Prinzip kann auch auf Systeme, die mehr als zwei Abbildungsstufen enthalten, angewendet werden.
Ist der Betrachterbereich für das komfortable Betrachten der 3D-Rekonstruktion zu klein, kann, wie in Fig. 8, eine optionale Nachführeinrichtung beispielsweise in unmittelbarer Augennähe enthalten sein.
Ist diese Nachführeinrichtung ein Winkel einführendes Element, so bewirkt es ein Verschieben des zusammengesetzten virtuellen Modulatorbildes und damit des Betrachterbereiches. Die Nachführeinrichtung sollte insbesondere dann mit der Lichtablenk-Einrichtung 400 synchronisiert werden, wenn ihre Arbeitsweise vom Lichteintrittswinkel abhängig ist, um ein lückenlos zusammengesetztes Modulatorbild zu erhalten. Die Verschiebung des zusammengesetzten Modulatorbildes kann bei der Hologrammkodierung zur Rekonstruktion der 3D-Szene berücksichtigt werden.
Im Falle der Verwendung einer 1 D-Kodierung kann in der Ebene der Blende 590 eine bewegte 1 D- Streuscheibe angebracht werden, welche das Planwellenspektrum im Betrachterbereich in der inkohärenten Richtung aufspannt, beziehungsweise auf den notwendigen Wert vergrößert. D.h., dass dieses Planwellenspektrum des Betrachterfensters nicht schon bei der Beleuchtung des SLM der Lichtmodulationseinheit 260 in vollem Maße vorliegen muss.
Die Lichtablenk-Einrichtung 400 kann zusätzliche Korrekturfunktionen zur Minimierung von Bildfehlern oder auch eine Zylinderlinsenfunktion zur Implementierung einer anamorphotischen Änderung des Abbildungsmaßstabes aufweisen.
Ein einzelnes steuerbares Lichtablenkmittel kann dazu verwendet werden, den Betrachterbereich zeitsequentiell aufzuspannen, wenn es in unmittelbarer Nähe der Eintrittspupille eines Betrachterauges platziert wird. Umso größer der Abstand dieses Lichtablenkmittels zur Eintrittpupille des Nutzerauges wird, desto kleiner wird der Bereich des effektiv nutzbaren Betrachterfensters. Ist das Betrachterfenster ausreichend groß, d.h. beispielsweise 20 mm, so kann z. B. ein einzelnes, zeitsequentiell einen Winkel einführendes steuerbares Flüssigkristall-Gitter in 10 mm Entfernung vom Betrachterauge verwendet werden, um ein zusammengesetztes Modulatorbild zu erhalten. Der konkrete Wert ergibt sich aus dem Abstand zum Betrachterauge, der Größe des nicht verkippten Betrachterfensters in der Ebene der Eintrittspupille des Betrachterauges, dem gewünschten Betrachterbereich und der Genauigkeit einer optional vorhandenen Nachführung des Betrachterfensters auf die Eintrittspupille des Betrachterauges.
Dies verdeutlicht schematisch Fig. 23. Im Gegensatz zu Fig. 7 rückt hier die Lichtablenk-Einrichtung 450 so nahe an das Betrachterauge 1000, dass kein steuerbarer Strahlversatz sondern nur eine steuerbare Strahlverkippung notwendig ist, um für das Betrachterauge 1000 die Betrachtung einer in eine Lichtmodulationseinheit 260 kodierte 3D Szene innerhalb eines mehrfach zusammengesetzten Betrachterraumes zu ermöglichen. Das von der Lichtablenk-Einrichtung 450 steuerbar abgelenkte Licht der Lichtmodulationseinheit 260 erzeugt mit Hilfe einer Vergrößerungsoptik 810 im gewünschten Betrachterabstand das virtuelle zusammengesetzte Modulatorbild. Die optionale Blende 580 dient zur Filterung höherer Beugungsordnungen des SLM. Sie begrenzt das Betrachterfenster und hält hohe Intensitäten von Laserstrahlung, wie sie in höheren Beugungsordnungen auftreten können, von der Augenumgebung fern.
Das Lichtablenkmittel der Lichtablenk-Einrichtung 450 kann auch auf einer in ein oder zwei Raumrichtungen gekrümmten Fläche angeordnet werden, um den Betrachterbereich mehrfach in eine oder zwei Raumrichtungen zusammenzusetzen. Dies zeigt schematisch Fig. 24 im Vergleich zu Fig. 23. Die dabei sequentiell vorliegende Lageabweichung einer zusammengesetzten gekrümmten virtuellen Modulatorfläche gegenüber einer planen Zusammensetzung kann bei der holographischen Kodierung der 3D-Objekte korrigiert werden, so dass diese im virtuellen Bildraum korrekt und unverzerrt dargestellt werden. Die Funktion des virtuell zusammengesetzten SLM und die Nachführung auf die Eintrittspupille des Betrachterauges kann zusätzlich bei entsprechender Ausgestaltung von dem Lichtablenkmittel übernommen werden. Das ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Geschwindigkeit und der nutzbare Winkelbereich der Lichtablenkmittel einen größeren zusammengesetzten Modulatorbereich erlauben würden, als die Geschwindigkeit des SLM ermöglicht. Das zusammengesetzte Modulatorbild wird dann in seiner Gesamtheit innerhalb des nutzbaren Winkelbereiches verschoben, wobei der darzustellende Ausschnitt der zu rekonstruierenden 3D-Szene angepasst werden kann.
Ein rein zeitsequentielles Zusammensetzen des Betrachterraumes stellt hohe Anforderungen an die Bildwiederholrate der eingesetzten räumlichen Lichtmodulatoren.
Die Zusammensetzung des Bildraumes ist vor allem auch aus folgenden Gründen von Interesse. In kohärenter Richtung werden ca. 725 Modulatorzellen / ° deg benötigt, um ein Betrachterfenster von 15 mm zu erzeugen, welches es ermöglicht, bei fester Position des Betrachters und des Anzeigegerät auf eine Betrachternachführung zu verzichten. Bei Implementierung einer Betrachternachführung ist es möglich, diesen Wert auf beispielsweise ein Drittel zu reduzieren, um eine 5 mm große Eintrittspupille des Betrachterauges auszuleuchten. Dabei werden jedoch in kohärenter Richtung immer noch ca. 250 Modulatorzellen / ° deg des Betrachterbereiches benötigt. Zum Vergleich werden bei einer vollen HD- Auflösung bei einer zweidimensionalen bzw. bei einer stereoskopischen Darstellung nur 60 Modulatorzellen / ° deg des Betrachterbereiches benötigt. Die Modulatorbildpunktzahl derzeitiger hochauflösender räumlicher Lichtmodulatoren reicht nicht aus, um einen großen holographischen Betrachterbereich aufzuspannen. Durch ein zeitsequentielles mehrfaches Zusammensetzen insbesondere in der kohärenten Richtung kann ein gewünschter großer Betrachterbereich erzeugt werden. Gleichzeitig steigen durch die zeitsequentielle Arbeitsweise jedoch die Anforderungen an die Geschwindigkeit des Modulators, insbesondere, wenn auch die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zeitsequentiell dargestellt werden sollen.
Um das Übersprechen, d.h. die Interferenz benachbarter Objektpunkte, die sich auch als Speckle äußert, zu reduzieren, kann der kohärente Bildinhalt in einer ausgedünnten Form sequentiell dargestellt werden, d.h. mehrere ausgedünnte Objektpunktwolken nacheinander. Dies erhöht jedoch ebenfalls die Anforderungen an die Bildrate der eingesetzten räumlichen Lichtmodulatoren.
Besonders in einem stationären holographischen Anzeigegerät, wo geringere Anforderungen an das Bauvolumen und das Gewicht bestehen, kann es vorteilhaft sein, mehrere räumliche Lichtmodulatoren gleichzeitig einzusetzen. So können beispielsweise die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zur selben Zeit erzeugt werden, die dann gemeinsam oder getrennt durch zeitliches Multiplex einen zusammengesetzten Betrachterraum erzeugen. Es kann jedoch beispielsweise auch ein räumliches und zeitliches Multiplex kombiniert werden. So kann ein großer Betrachterbereich z. B. in einer Raumrichtung räumlich durch mehrere Modulatoren zusammengesetzt werden und in die andere Raumrichtung durch zeitliches Multiplex dieser räumlichen Lichtmodulatoren. Die Zusammensetzung der Strahlengänge dreier räumlicher Lichtmodulatoren mit unterschiedlichen Farben kann mit bekannten Mitteln zur Strahlzusammenführung wie beispielsweise dichroitischer Spiegel, Prismenanordnungen, polarisationsabhängigen Optiken oder diffraktiven Lichtablenkmitteln erfolgen.
Fig. 25 zeigt schematisch eine Anordnung zum Farbmultiplex beim Einsatz einer Lichtablenk- Einrichtung 400 mit einem steuerbaren Ablenkgitter als steuerbares Lichtmodulationsmittel in der gemeinsamen Brennebene eines telezentrischen Abbildungssystems zur Mehrfachabbildung der drei räumlichen Lichtmodulatoren der drei Lichtmodulationseinheiten 261 , 262, 263 unterschiedlicher spektraler Verteilung in einem zweistufigen Abbildungssystem, wie es schematisch in Fig. 22 ohne Farbmultiplex dargestellt ist. Die Strahlvereinigung der drei Modulatorbilder der Lichtmodulationseinheiten 261 , 262, 263 erfolgt hier in der gemeinsamen Zwischenbildebene des telezentrischen Abbildungssystems, das hier jeweils aus einem objektseitigen separaten Linsensystem 51 1 , 512, 513 für jede Lichtmodulationseinheit 261 , 262, 263 und einem bildseitigen Linsensystem 520 nach der Lichtablenk-Einrichtung 400 besteht. In der Brennebene des telezentrischen Abbildungssystems kann sich optional wieder eine Blende 590 befinden. Die Linsengruppe 520 ist auf eine größere numerische Apertur ausgelegt. Im gezeigten Beispiel liegt die blaue Lichtmodulationseinheit 262 rein beispielhaft im direkten Strahlengang. Die Lichtablenk- Einrichtung 400 wird mit grünem und mit rotem Licht der beiden Lichtmodulationseinheiten 261 , 263 schräg beleuchtet. Rein beispielhaft kommt im roten Strahlengang zusätzlich ein Reflexions- Volumengitter 990 zum Einsatz, um den Strahlengang zu falten. Die Winkelselektivität des Volumengitters 990 bestimmt in dieser Anordnung die Größe des roten SLM bzw. bei Festlegung der SLM-Größe die effektive Brennweite des ersten, direkt hinter dem SLM eingesetzten Linsensystems 513.
Alternativ kann vor der Lichtablenk-Einrichtung 400 ein Farbstrahlteilerwürfel (X-Cube) eingesetzt werden. Die Lichtquellen der Lichtmodulationseinheiten 261 , 262, 263 für die Beleuchtung der SLM der einzelnen Farben werden mit der Lichtablenk-Einrichtung 400 synchronisiert. Bei dieser Anordnung sollte die Lichtablenk-Einrichtung 400 mindestens die dreifache Schaltgeschwindigkeit der drei SLM's erreichen, wenn sie nicht achromatisch ausgelegt werden kann. Die SLM's werden dabei vorteilhaft jeweils um ein Drittel einer Bildperiode versetzt angesteuert und zeitversetzt jeweils nur mit kurzen Lichtimpulsen beleuchtet, wenn in sie die zugehörige Information vollständig eingeschrieben ist. Ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter kann beispielsweise mit 1 ,8 kHz und ein Phasen-SLM, beispielsweise ein LCOS, mit 600 Hz betrieben werden.
Alternativ kann das Zusammenlegen der Strahlengänge für Rot, Grün und Blau auch nach der Mehrfachabbildung in der Ebene des zusammengesetzten Zwischenbildes 270 erfolgen. Dazu enthält jeder der drei Strahlengänge Rot, Grün und Blau eine eigene Lichtablenk-Einrichtung, an die dann geringere Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit gestellt werden brauchen.
Fig. 26 zeigt eine Ausgestaltung eines HMD mit einer vertikalen Mehrfachabbildung in Verbindung mit einem dünnen Wellenleiter 1 100, wie er bereits in Fig. 13 gezeigt wurde. Auch hier wird rein beispielhaft ein reflektiv arbeitender SLM 200 über eine flache Vorderseitenbeleuchtung 150 beleuchtet. Dazu wird kohärentes Licht einer nicht dargestellten Lichtquelle über eine hier nicht dargestellte Kollimationsoptik in die flache Vorderseitenbeleuchtung 150 eingekoppelt. Dem SLM 200 kann optional eine Strahlvereinigungsoptik 300 nachgeschaltet werden, mit dem beispielsweise jeweils zwei Phasenwerte benachbarter Modulatorzellen des SLM 200 für eine Zweiphasenkodierung optisch vereinigt werden. SLM 200, Vorderseitenbeleuchtung 150 und Strahlvereinigungsoptik 300 sind Teil einer Lichtmodulationseinheit 260, die die Daten für eine holographische Kodierung einer 3D Szene von einer hier nicht dargestellten Steuereinheit erhält. Die Lichtmodulationseinheit 260 wird vorteilhaft innerhalb der objektseitigen Brennebene einer Vergrößerungsoptik 800 angeordnet. Über sie gelangt die durch die Lichtmodulationseinheit 260 modulierte Wellenfront auf ein erstes steuerbares Lichtablenkelement 410 der Lichtablenk-Einrichtung 400. Das steuerbare Lichtablenkmittel 410 ist vorteilhaft als steuerbares Flüssigkristall-Gitter ausgestaltet, bei dem über ein an eine Elektrodenstruktur angelegtes Spannungsprofil ein variables diffraktives Ablenkgitter erzeugt werden kann. Es lenkt das Licht des SLM 200 zeitsequentiell in vertikaler Richtung in mindestens zwei unterschiedliche vertikale Winkelspektren ab. In Fig. 26 werden beispielsweise vier verschiedene vertikale Richtungen durch vier verschiedene vertikale Winkelspektren erzeugt. Ein zweites Lichtablenkmittel 420 lenkt das Licht der jeweiligen Winkelspektren so ab, dass in vertikaler Richtung gegeneinander verschobene Segmente im Zeitmultiplex entstehen. Das Lichtablenkmittel 420 der Lichtablenk-Einrichtung 400 kann beispielsweise ebenfalls ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter als Lichtablenkmittel enthalten. Es kann auch ein Multiplex-Volumengitter enthalten, das jedes der verschiedenen Eingangswinkelspektren in ein zugehöriges Ausgangswinkelspektrum umwandelt. Für ein bevorzugtes Farb-HMD kann dieses Multiplex-Volumengitter zusätzlich für einen Wellenlängenmultiplex ausgelegt werden, wobei es auch mehrere hintereinander gesetzte Volumengitter und/oder Multiplex-Volumengitter aufweisen kann. Der Abstand zwischen den beiden Lichtablenkmitteln 410 und 420 richtet sich u. a. nach dem maximalen Ablenkwinkel des Lichtablenkmittels 410 und der Anzahl der zu erzeugenden vertikalen Segmente. Die zeitsequentiell erzeugten vertikalen Segmente werden über eine Einkoppeloptik 1 1 10, welche vorzugsweise ein Volumengitter enthält, in einen dünnen Wellenleiter 1 100 mit einem flachen Winkel eingekoppelt, so dass sich das Licht aller Einkoppelwinkel über Totalreflexion an den beiden Grenzflächen des Wellenleiters 1 100, die parallel zueinander angeordnet sind, in Richtung des Wellenleiters 1 100 ausbreitet. In Fig. 26 ist die Einkopplung in eine seitliche Grenzfläche des Wellenleiters 1 100 dargestellt. Selbstverständlich kann auch hier die Einkopplung mittels Einkoppeloptik 1 1 10 in die der Lichtablenk-Einrichtung 400 zugewandten Seite des Wellenleiters 1 100, beispielsweise mit Hilfe eines transmissiven Volumengitters, oder in die der Lichtablenk-Einrichtung 400 abgewandten Seite des Wellenleiters 1 100, beispielsweise mit Hilfe eines reflektiven Volumengitters erfolgen. Die Einkoppeloptik 1 1 10 kann vorteilhaft mindestens ein Multiplex-Volumengitter enthalten. Ähnlich wie in Fig. 13 kann die Lichteinkopplung in den Wellenleiter 1 100 durch die Einkoppeloptik 1 1 10 auch in Form von mehreren horizontalen Winkelspektren, beispielsweise fünf, die aber hier den gemeinsamen horizontalen Modulatorzellenbereich der Lichtmodulationseinheit 260 aufspalten, erfolgen. Auch bei der Ausführung nach Fig. 26 muss der Wellenleiter 1 100 nicht vollständig planar sein, sondern seine Oberflächen können gekrümmt und/oder einen kleinen Keilwinkel zueinander aufweisen. Das zweite Lichtablenkmittel 420 und die Einkoppeloptik 1 1 10 können auch in einem gemeinsamen Bauelement zur Lichtablenkung und -einkopplung vereinigt werden. Über eine Auskoppeloptik 1 130 wird das Licht aus dem planaren Wellenleiter 1 100 in Richtung des Betrachterauges 1000 ausgekoppelt. Es entsteht ein hier nicht dargestelltes Betrachterfenster, in dem sich die Augenpupille des Betrachterauges 1000 befindet. In diesem Betrachterfenster wird das vergrößerte mehrfach zusammengesetzte virtuelle Bild 230 des SLM 200 in vertikal angeordneten Segmenten l-IV im Betrachterraum sichtbar. Zur Minimierung wahrnehmbaren Flackerns kann die zeitliche Abfolge der Segmente l-IV geändert und optimiert werden. Sie kann auch eine Zufallsfolge aufweisen. Die Zufallsverteilung sollte so gewählt werden, dass Flickern maximal unterdrückt wird. Dazu sollte ein zu großer zeitlicher Abstand zur Darstellung desselben Segmentes vermieden werden.
Der scheinbare Abstand des mehrfach zusammengesetzten virtuellen Bildes 230 zum Betrachterauge 1000 hängt u. a. von der Größe der aktiven Fläche des SLM 200 und der Vergrößerung der Vergrößerungsoptik 800 ab. Er kann beispielsweise 2m betragen. Im Strahlengang können hinter der primären Vergrößerungsoptik 800 Linsenwirkungen oder/und das Wellenfeld formende Funktionen, wie beispielsweise eine anamorphotische Streckung oder Stauchung, in den Bauteilen, d.h. beispielsweise im ersten steuerbaren Lichtablenkmittel 410, im zweiten steuerbaren Lichtablenkmittel 420, in der Einkoppeloptik 1 1 10, im dünnen Wellenleiter 1 100, und in der Auskoppeloptik 1 130 zusätzlich zu ihren primären und zuvor beschriebenen Funktionen implementiert werden.
Das Betrachterfenster und das mehrfach zusammengesetzte virtuelle Bild 230 des SLM 200 definieren den Betrachterbereich, in dem eine Rekonstruktion von Objektpunkten einer dreidimensionalen Szene durch die in der Lichtmodulationseinheit 260 kodierte holographische Amplituden- und/oder Phasenverteilung erfolgt. Selbstverständlich kann auch eine zweidimensionale Szene in einem beliebigen Abstand zum Betrachterauge holographisch erzeugt werden. Bei einem Gerät mit einem Amplitudenmodulator, welches beispielsweise zur holographischen Kodierung eine Burckhardt- Kodierung verwendet, kann auch eine Szene zweidimensional in der Ebene des mehrfach zusammengesetzten virtuellen Bildes 230 direkt, d. h. nicht holographisch, kodiert werden.
Wird der horizontale Modulatorbereich des SLM 200 von der Einkoppeloptik 1 1 10 in unterschiedliche horizontale Einkoppelwinkelbereiche aufgespaltet, so wird die Auskoppeloptik 1 130 so ausgestaltet, dass sie mehrere horizontale Segmente A-E enthält, die jeweils eine horizontalen Einkoppelwinkelbereich in einen horizontalen Auskoppelwinkelbereich umsetzen, so dass ein gemeinsames in horizontale Segmente a-e aufgeteiltes mehrfach zusammengesetztes virtuelles Bild 230 des SLM 200 entsteht. Diese horizontalen Bereiche koppeln gleichzeitig das Licht eines vertikalen Segmentes l-IV aus. Sowohl die horizontalen Segmente a-e als auch die vertikalen Segmente l-IV grenzen lückenlos aneinander an oder überlagern sich leicht, wobei eine Überlagerung, bzw. eine Überlappung der Segmente bei der Kodierung der Hologrammwerte zum Erzeugen der zu rekonstruierenden Objektpunkte berücksichtigt werden kann.
Zur Bestimmung der Abweichung der einzelnen horizontalen a-e und/oder vertikalen Segmente l-IV des zusammengesetzten vergrößerten virtuellen Bildes 260 zu ihrer optimalen Lage können auf dem dünnen Wellenleiter 1 100 positionsempfindliche Sensoren 1 140 enthalten sein. Diese werden vorzugsweise in Randbereiche des Wellenleiters 1 100 angeordnet, die sich außerhalb des Sichtbarkeitsbereiches des Betrachters befinden. Zum Beleuchten dieser positionsempfindlichen Sensoren 1 140 kann der Lichtmodulator 200 zusätzliche Modulatorzellen im Randbereich besitzen, die zwar für die Ermittlung der Korrekturwerte jedoch nicht für die Kodierung der Hologramminformation verwendet werden. Die Justagewerte können dabei dauerhaft während des Betriebes des Gerätes ermittelt werden, wodurch sich auch Drifterscheinungen, welche beispielsweise durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden können, kompensieren lassen.
In Richtung der Lichtablenkung durch die Lichtablenkmittel 410 und 420 kann auch ein größerer maximaler Ablenkwinkel erzeugt werden, so dass für diese Justage keine transparenten Sensoren und keine zusätzlichen Modulatorzellen auf dem Lichtmodulator 200 benötigt werden. Dieser zusätzliche Bereich wird beispielsweise nur beim Einschalten während einer Initialisierungsphase zur Ermittlung von Korrekturwerten genutzt. Er liegt im Allgemeinen nicht im Sichtbarkeitsbereich sondern z.B. im Bereich einer Gesichtsfeldblende, wie sie beispielsweise eine Brillenfassung darstellt. Die positionsempfindlichen Sensoren 1 140 können auch transparent ausgestaltet werden und sich im Sichtbereich des Betrachterauges 1000 befinden, so dass sie kaum wahrgenommen werden und ebenfalls keine zusätzlichen Modulatorzellen auf dem Modulator benötigen. Durch sie verursachte Absorptionen lassen sich bei der Kodierung der Hologrammwerte berücksichtigen. Beim Einschalten des Gerätes können die Korrekturwerte durch Erzeugung geeigneter Prüfmuster ermittelt werden.
Als positionsempfindliche Sensoren 1 140 sind beispielsweise eindimensionale oder zweidimensionale Felder von Photoempfängern wie Photodioden oder Phototransistoren bzw. CCD- oder CMOS- Sensoren geeignet. Mit ihnen kann beispielsweise eine einfache Kantendetektion erfolgen. Vorteilhaft können auch positionsempfindliche Photoempfänger eingesetzt werden, bei denen der Schwerpunkt einer oder mehrerer Lichtverteilungen über eine seitliche Elektrodenstruktur ermittelt werden kann. Die positionsempfindlichen Sensoren 1 140 können auch direkt auf dem planaren Wellenleiter 1 100, beispielsweise in Dünnschichttechnik, ausgestaltet werden.
Die vertikale Dejustage kann mittels des verwendeten Flüssigkristall-Gitters aktiv kompensiert werden. Zur Korrektur der horizontalen Dejustage könnte ein zweites, gekreuztes steuerbares Flüssigkristall- Gitter enthalten sein.
Die Auskoppeloptik 1 130 kann auch als transmissives Volumengitter ausgestaltet werden und sich auf der dem Betrachterauge 1000 zugewandten Seite des dünnen Wellenleiters 1 100 befinden.
Die numerische Apertur der Vergrößerungsoptik 800 bestimmt die Auflösung. Die Auflösung ist so zu wählen, dass zumindest die Ote und eine weitere Beugungsordnung des SLM 200 hinter der - Allgemeinen primären - Vergrößerungsoptik 800 propagieren.
Hinter der Vergrößerungsoptik 800 eingesetzte optische Bauteile können eine reduzierte Winkelakzeptanz aufweisen. Dies ist beispielsweise bei Volumengittern der Fall. Das vorteilhaft hinter der Vergrößerungsoptik 800 vorliegende Planwellenspektrum wird durch die Winkelakzeptanz, - oder auch Winkelselektivität - der hinter der Vergrößerungsoptik 800 eingesetzten optischen Bauteile vorgegeben.
Das hinter der Vergrößerungsoptik 800 in vorteilhafter Weise vorliegende Planwellenspektrum bestimmt die Größe der vor dieser einsetzbaren Lichtmodulationseinheit 260 und damit auch die benötigte Größe des hinter der Vergrößerungsoptik 800 eingesetzten ersten steuerbaren Lichtablenkmittels 410.
Mit Erhöhung der Brennweite der Vergrößerungsoptik 800 lässt sich die Größe des eingesetzten SLM 200 bzw. der eingesetzten Lichtmodulationseinrichtung 260 erhöhen.
Die numerische Apertur der verwendeten Vergrößerungsoptik 800 sollte im Allgemeinen größer oder gleich der numerischen Apertur sein, welche es erlaubt, alle kodierten Objektpunkte der darzustellenden 3D-Szene aufzulösen.
Die steuerbaren Lichtablenkmittel 410 und 420 können auch versetzt zueinander angeordnet werden, so dass ihre 0. Beugungsordnung ausgefiltert werden kann, falls die wirksamen höheren Beugungsordnungen eine zu kleine Beugungseffektivität aufweisen, so dass bei deren Auswahl noch störende Intensitätsanteile in der 0. Beugungsordnung verbleiben.
Vorteilhaft kann die Erzeugung des zusammengesetzten vergrößerten virtuellen Bildes 230 der Lichtmodulationseinheit 260 anamorphotisch erfolgen. Sie kann beispielsweise durch die Vergrößerungsoptik 800 und/oder die Einkoppeloptik 1 1 10 realisiert werden. Es können jedoch auch zusätzliche Elemente, wie beispielsweise Zylinderlinsen, Gitter oder auch Volumengitter, im Strahlengang zwischen der Lichtmodulationseinheit 260 und dem planaren Wellenleiter 1 100 verwendet werden. Beispielsweise kann sich dafür eine Zylinderlinse hinter dem zweiten steuerbaren Lichtablenkmittel befinden.
Das Ein- und Auskoppeln in den planaren Wellenleiter 1 100 durch die Einkoppeloptik 1 1 10 bzw. durch die Auskoppeloptik 1 130 kann auch unsegmentiert erfolgen, in dem ein kontinuierlich auskoppelndes Element enthalten ist, um vorliegende Winkel an definierten Orten in definierte Richtungen auszukoppeln.
Dazu können transmissive oder reflektive Volumengitter enthalten sein, über deren Dicke die Winkelselektivität optimiert wird. Im Allgemeinen haben reflektive Volumengitter eine breitere Winkelakzeptanz als transmissive Volumengitter. Die Winkelakzeptanz von transmissiven Volumengittern kann gezielt verringert werden, indem ihre Dicke erhöht wird. Bei reflektiven Volumengittern kann durch Variation der Modulationsstärke, d. h. der Brechzahländerung, die Winkelakzeptanz beeinflusst werden.
Vorteilhaft ist dabei die Unterdrückung von Nebenmaxima der Winkelselektivität. Bei Verwendung spektral breiter Wellenlängenbereiche, wie dies beispielsweise bei herkömmlichen 2D- oder Stereo- 3D-HMD der Fall ist, wo beispielsweise auch OLED eingesetzt werden, ist eine Unterdrückung der Nebenmaxima der Winkel- und/oder Wellenlängenselektivität vorteilhaft.
In einem Transmissionsvolumengitter, welches mit zwei zueinander kohärenten Planwellen in ein homogenes Aufzeichnungsmedium belichtet worden ist, ist die Einhüllende der Brechungsindexmodulation unter Vernachlässigung der Absorption im Aufzeichnungsmedium eine Rechteckfunktion. In Transmissions- und Reflexionsvolumengittern kann die Einhüllende der Brechungsindexmodulation jedoch auch gezielt über die Wahl der Kohärenz der zur Belichtung verwendeten Wellenfelder eingestellt werden und beispielsweise auch in Form einer gaußschen Normalverteilung, eines Hamming-Fensters oder eines Kaiser-Bessel-Fensters vorliegen. Dies führt zur erheblichen Reduktion der Nebenmaxima der Winkel- und Wellenlängenselektivität. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn Winkel- und/oder Wellenlängenselektivitäten unterschiedlicher Rekonstruktionsgeometrien eng nebeneinander liegen. Somit wird vermieden, dass sich im dargestellten Betrachterbereich durch Nebenmaxima der Winkel- und/oder Wellenlängenselektivität bedingte Geisterbilder ausbilden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ist demnach in der steuerbaren Lichtablenk- ein Volumengitter und/oder ein Multiplexvolumengitter vorhanden, dessen Einhüllende der Brechungsindexmodulation gezielt über die Wahl der Kohärenz der bei deren Herstellung zur Belichtung verwendeten Wellenfelder eingestellt wurde.
Neben zweidimensional arbeitenden räumlichen Lichtmodulatoren, bei denen die Modulatorzellen in einer zweidimensionalen Modulatorzellenmatrix angeordnet sind, lassen sich auch eindimensionale Lichtmodulatoren vorteilhaft verwenden, um einen hoch aufgelösten großen Betrachterbereich in einem HMD oder einem Hokular zu erreichen. Solche eindimensionalen bzw. linearen Lichtmodulatoren besitzen nur eine oder wenige Spalten von Modulatorzellen. Da keine matrixförmige Ansteuerung notwendig ist, lassen sie sich kostengünstig mit hoher Auflösung in Spalten richtung herstellen. U. a. auf Grund kurzer Leitungslängen zwischen der Ansteuerelektronik und den Modulatorzellen kann eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit zur Lichtmodulation erzielt werden. Geeignete lineare SLM sind beispielsweise eindimensionale Anordnungen von Modulatorzellen, die steuerbare diffraktive Gitter enthalten (grating light valve, GLV oder grating electro-mechanical System, GEMS). Diese arbeiten reflektiv und erlauben eine Phasenmodulation des auftreffenden Lichtes. Auch eindimensionale LCOS oder eindimensionale transparente Flüssigkristallmodulatoren sind einsetzbar.
Um einen zweidimensionalen Bildraum zu erhalten, werden diese Modulatoren in zeitlicher Abfolge in der Richtung senkrecht zur linearen Ausdehnung der Modulatorzellen mehrfach nebeneinander abgebildet. Dazu eignen sich z. B. die bereits vorgestellten Einrichtungen zum Erzeugen eines zusammengesetzten vergrößerten virtuellen Bildes eines SLM, wenn eine steuerbare Lichtablenk- Einrichtung verwendet wird, die einen kontinuierlichen Ablenkwinkel in einem vorgebbaren Winkelbereich, welcher u. a. die Größe des Betrachterbereiches bestimmt, ermöglicht. Eindimensionale SLM eignen sich besonders für eine eindimensionale Kodierung der Hologrammwerte, die in Richtung der Modulatorspalte erfolgt, d.h. quer zur Abtastrichtung. Für ein Gerät zur farbigen Rekonstruktion von 3D-Szenen werden die SLM analog zu zweidimensionalen SLM in zeitlicher Folge mit den einzelnen Farbkomponenten Rot, Grün und Blau beleuchtet oder jede Farbkomponente wird durch einen eigenen SLM moduliert, wobei die Strahlengänge so ausgelegt werden, dass ein zusammengesetztes vergrößertes virtuelles Bild entsteht, wie es beispielsweise in Fig.25 gezeigt ist.
In Fig. 27a ist rein beispielhaft das Abtasten eines eindimensionalen SLM durch ein steuerbares Lichtablenkmittel 410 gezeigt. Der optische Aufbau entspricht weitestgehend Fig. 22. Die Lichtmodulationseinheit 260 enthält jedoch mindestens einen linearen SLM. Das Abtasten des linearen SLM erfolgt hier im Bereich der mittleren Brennebene eines telezentrischen Linsensystems mit einem Lichtablenkmittel 410. Das Lichtablenkmittel enthält vorteilhaft ein steuerbares diffraktives Flüssigkristall-Gitter, dessen Gitterkonstante durch ein an eine Elektrodenstruktur angelegtes Spannungsprofil feinstufig in einem vorgebbaren Bereich veränderbar ist. Der maximale Ablenkwinkel wird durch die kleinst mögliche Gitterkonstante bestimmt, die durch die Feinheit der Elektrodenstruktur festgelegt wird. Das telezentrische Linsensystem enthält ein erstes Linsensystem 510, das als Projektionssystem das von der Lichtmodulationseinheit 260 kommende Licht parallelisiert, und ein zweites Linsensystem 520, welches als F-Theta-Optik arbeitet. Die durch das Lichtablenkelement 410 hervorgerufenen Abtastwinkel werden durch dieses Linsensystem 520 in Verschiebungen umgesetzt, so dass ein zusammengesetztes Zwischenbild 270 entsteht, das als virtueller zweidimensionaler SLM für das nachfolgende vergrößernde Abbildungssystem fungiert. Ein solches Abbildungssystem wurde bereits in Fig. 8 beschrieben. Die gemeinsame Brennebene des telezentrischen Abbildungssystems kann auch hier eine Blende 590 enthalten. Höhere Beugungsordnungen treten hier nur in Richtung der Modulatorzellen auf.
Fig. 27b zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer Lichtmodulationseinheit 260 die mindestens einen linearen SLM 205 enthält, wie sie in Fig. 27a ausgestaltet werden kann. Der lineare SLM 205 wird von mindestens einer Lichtquelle 1 10, beispielsweise einer Laserlichtquelle, hinreichend kohärent über eine Kollimationsoptik 120 und einem Strahlteilerwürfel 130, der als Vorderseitenbeleuchtung dient, beleuchtet. Hinreichend kohärent bedeutet, dass die räumliche Kohärenz des kollimierten Lichtes der Lichtquelle 1 10 so groß ist, dass damit mindestens ein Teilbereich des SLM 205 beleuchtet werden kann, in dem ein zu rekonstruierender Objektpunkt holographisch erzeugt wird, also der Bereich eines Subhologramms. Wird eine Zweiphasenkodierung verwendet, ist es vorteilhaft, den linearen SLM 205 mit einer Strahlvereinigungsoptik auszustatten, mit denen das modulierte Licht jeweils zweier benachbarter Modulatorzellen des als Phasenmodulator ausgestalteten SLM 205 zu einem komplexen Wert vereinigt werden. Bei den beiden Modulatorzellen muss es sich nicht streng um unmittelbar benachbarte Modulatorzellen handeln. Ihr Abstand bestimmt sich aus der Strecke, mit der Licht unterschiedlicher, d.h. orthogonaler, Polarisation in einer Verzögerungsplatte 330 gegeneinander verschoben wird. Dazu wird das Licht der beiden jeweils beteiligten Modulatorzellen in einer strukturierten Verzögerungsplatte 320 lokal unterschiedlich, d.h. orthogonal polarisiert. Ein unstrukturierter linearer Polarisator 310 selektiert aus den beiden übereinander geschoben Lichtanteilen unterschiedlicher, d.h. orthogonaler, Polarisation den gemeinsamen Polarisationsanteil. Orthogonale Polarisationen sind sowohl linear senkrecht (TE) und linear parallel (TM) polarisiertes Licht, als auch links zirkulär und rechts zirkulär polarisiertes Licht.
Besonders vorteilhaft ist, wenn nicht zwei benachbarte Pixel in Richtung der linearen Ausdehnung des SLM 205 vereint werden, sondern der lineare SLM 205 mindestens zwei benachbarte Spalten von Modulatorzellen enthält. Diese können auch einen größeren Abstand zueinander aufweisen, so dass beispielsweise zwischen ihnen auch Ansteuerelektronik angeordnet werden kann. Die strukturierte Verzögerungsplatte 320 besteht dann nur aus jeweils einem Streifen eines doppelbrechenden Materials, welches im doppelten Durchgang eine zur einfallenden Polarisation orthogonale Polarisation erzeugt. Zur Erhöhung der Achromasie der Orthogonalisierung der Polarisation benachbarter Streifen des SLM kann beispielsweise ein + L/4 und ein -L/4 Verzögerungsstreifen über benachbarten und zu vereinigenden reflektiven SLM-Streifen verwendet werden.
Die Verschiebung des Lichtweges in der Verzögerungsplatte 330 der beiden Polarisationsanteile gegeneinander entspricht dem Abstand der beiden Modulatorzellenspalten. Wird der SLM 205 im Zeitmultiplexbetrieb mit unterschiedlichen Farbanteilen beleuchtet, so sollten die polarisationsändernden Elemente 310, 320 und 330 weitestgehend achromatisch ausgeführt werden. Sie können auch eine steuerbare polarisationsabhängige Phasenverzögerung aufweisen, die mit der Wellenlänge synchronisiert wird. Dazu eignen sich flüssigkristalline Schichten mit steuerbarer Doppelbrechung.
In Fig. 27c wird eine weitere Ausgestaltung einer beispielhaften Lichtmodulationseinheit 260 dargestellt, wie sie in Fig. 27a verwendet werden kann. Die komplexwertigen Modulationswerte werden hier durch das Übereinanderlegen des in der Phase modulierten Lichtes jeweils einer zugeordneten Modulatorzelle je eines linearen SLM 206, 207 mittels eines Strahlteilerwürfels 130 erzeugt. Dazu werden die linearen SLM 206, 207 parallel zueinander vor je einer, z.B. orthogonalen, Fläche eines Strahlteilerwürfels 130 positioniert. Beide SLM 206, 207 werden gemeinsam mittels einer Lichtquelle 1 10 und einer Kollimationsoptik 120 über den Strahlteilerwürfel 130 hinreichend kohärent beleuchtet. Die Kollimationsoptik 120 befindet sich dafür vor einer weiteren Fläche des Strahlteilerwürfels 130. Das zusammengefasste Licht der beiden SLM 206, 207 wird über eine vierte Fläche des Strahlteilerwürfels 130 ausgekoppelt.
Das steuerbare Lichtablenkmittel 410 gemäß Fig. 27a können auch zusätzliche Korrekturfunktionen und/oder eine Zylinderlinsenfunktion aufweisen, die zur Implementierung einer anamorphotischen Änderung des Abbildungsmaßstabes dienen kann.
Besonders für Hokulargeräte sind auch Ausgestaltungsvarianten einsetzbar, bei denen mindestens ein linearer SLM mechanisch abgetastet wird, um ein zusammengesetztes vergrößertes virtuelles Bild eines SLM zu erzeugen. Dafür sind beispielsweise Galvanometerspiegel, die auch als mikromechanische Elemente ausgeführt werden können, und/oder Polygonspiegel einsetzbar. Fig. 28 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltungsvariante mit einem Polygonspiegel 415 zum Abtasten des modulierten Lichtes der Lichtmodulationseinheit 260 in der gemeinsamen Brennebene eines telezentrischen Abbildungssystems, das wie in Fig. 27a - 27c zwei Linsensysteme 510 und 520 aufweist. Der optische Strahlengang einschließlich Lichtmodulationseinheit 260 entspricht weitestgehend Fig. 27a - 27c, so dass hier nicht näher darauf eingegangen wird. Der Polygonspiegel 415 dient als steuerbares Lichtablenkmittel, das die lineare Lichtmodulationseinheit 260 quer zu deren linearen Ausdehnung in einem Abtaststreifen abtastet und so einen zweidimensionalen virtuellen SLM in der Zwischenbildebene 270 erzeugt. In dieser Ebene kann sich eine hier nicht dargestellte Lichtablenk-Einrichtung befinden, die das modulierte Licht der Lichtmodulationseinheit 260 quer zur Bewegungsrichtung des Polygonspiegels 415 ablenkt, um mit einem nicht dargestellten Abbildungssystem ein zusammengesetztes vergrößertes virtuelles Bild des Zwischenbildes 270 zu erzeugen, welches aus mindestens zwei übereinanderliegenden vergrößerten Abtaststreifen besteht. Dazu ist die Lichtablenk-Einrichtung über eine nicht dargestellte Systemsteuerung mit der Bewegung des Polygonspiegels 415 und der Lichtmodulationseinheit 260 synchronisiert.
Um die dafür benötigte Verkippung des Strahlenganges zu erreichen, kann jedoch eine solche Lichtablenk-Einrichtung auch zwischen der Linsengruppe 510 und dem Polygonspiegel 415 bzw. zwischen dem Polygonspiegel 415 und der Linsengruppe 520 angeordnet werden. Dazu können beispielsweise schalt- bzw. steuerbare Flüssigkristall-Gitter mit einstellbarer Gitterperiode oder schaltbare Flüssigkristall-Polarisationsgitter bzw. schaltbare Volumengitter eingesetzt werden.
Abweichend dazu kann die notwendige Verkippung auch mit einer Lichtablenk-Einrichtung erfolgen, die zwischen der Linsengruppe 520 und der Ebene des zusammengesetzten Bildes 270 angeordnet ist. Dazu werden beispielsweise zwei steuerbare Lichtablenkmittel, wie beispielsweise zwei steuerbare Flüssigkristall-Gitter oder zwei schaltbare Volumengitterelemente, hintereinander angeordnet, so dass mit zwei, einen Winkel einführenden Bauteilen die notwendige laterale Verschiebung eines Abtaststreifens erfolgt, um ein zusammengesetztes Bild aus mehreren Abtaststreifen in der Ebene des Zwischenbildes 270 zu erhalten. Eine Anordnung aus zwei, einen Winkel einführenden Bauteilen kann auch vor der Linsengruppe 510, d.h. zwischen der Lichtmodulationseinheit 260 und der Linsengruppe 510 eingesetzt werden. Eine Kombination besteht darin, ein, einen Winkel einführendes Element zwischen dem primären SLM und der Linsengruppe 510 einzusetzen und ein, einen Winkel einführendes Element zwischen der Linsengruppe 520 und dem zusammengesetzten Bild 270 einzusetzen. Dem zusammengesetzten Zwischenbild 270 folgt ein nicht dargestelltes Abbildungssystem mit Vergrößerungsfunktion, welches das zweidimensionale zusammengesetzte vergrößerte virtuelle Bild des SLM der Lichtmodulationseinheit 260 erzeugt.
Ein Polygonspiegel 415 kann leicht achromatisch ausgestaltet werden, was den Aufbau von Geräten zur farbigen Rekonstruktion von 3D-Szenen vereinfacht.
Seine Spiegelflächen können quer zur Drehrichtung eine absorbierende Blende zur Unterdrückung höherer Beugungsordnungen enthalten. Diese Blendenfunktion kann auch durch Beschränken der Bauhöhe realisiert werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante werden aufeinanderfolgende Flächen des Polygonspiegels 415 gegeneinander verkippt ausgestaltet, so dass auch in Richtung der linearen Ausdehnung eines SLM einer Lichtmodulationseinrichtung 260 eine mehrfach zusammengesetzte Abbildung erfolgt. Die Zahl der gegeneinander verkippten Flächen bestimmt die Anzahl der Mehrfachabbildungen in Richtung der linearen Ausdehnung des SLM. Die Verkippungsfolge kann im SLM mehrfach wiederholt werden, um die Spiegelflächenzahl zu erhöhen und damit die benötigte Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 415 zu senken. Dabei kann die Verkippungsreihenfolge der einzelnen Spiegelflächen in den einzelnen Folgen auch variieren, um Flickereffekte zu minimieren.
Alternativ können zur Mehrfachabbildung quer zur Drehrichtung des Polygonspiegels 415 seine Spiegelflächen als reflektive Volumenhologramme ausgelegt werden, die das Licht in unterschiedliche Richtungen ablenken. Dabei braucht jede Spiegelfläche nur für einen Reflexionswinkel, und wenn die Farben im Zeitmultiplexbetrieb erzeugt werden, auch nur für einen Wellenlängenbereich ausgewählt werden, so dass keine Multiplex-Volumenhologramme erforderlich sind. Auch eine solche Folge von aus reflektiven Volumengittern bestehenden Spiegelflächen kann sich auf dem Polygonspiegel 415 mehrfach wiederholen. Die reflektiven Volumengitter können dabei so ausgestaltet werden, das ihr Ablenkwinkel in Ablenkrichtung variiert, so dass zusätzlich eine Linsenfunktion bzw. eine Änderung des Abbildungsmaßstabes in dieser Richtung erfolgt bzw. Abbildungsfehler eines oder mehrerer im Strahlengang befindlicher Abbildungssysteme in dieser Ablenkrichtung korrigiert werden. Mit einer Variation des Ablenkwinkels über der Spiegelfläche in Drehrichtung können auch Abbildungsfehler eines oder mehrerer im Strahlengang befindlicher Abbildungssysteme in Drehrichtung korrigiert werden. Kleinere Abbildungsfehler in beide Richtungen können auch bei der Kodierung der Bildpunkte korrigiert werden.
Es können auch lineare SLM verwendet werden, die einen relativ großen Modulatorzellenabstand aufweisen bzw. größere Lücken zwischen den Modulatorzellen aufweisen. In diesem Fall können einzelne Spiegel des Polygonspiegels 415 nur leicht gegeneinander verkippt werden, so das bei der zeitlichen Abfolge ein hochauflösendes lückenloses vergrößertes zusammengesetztes virtuelles Bild entsteht. Da dabei der maximal erreichbare Beugungswinkel bei der Hologrammkodierung reduziert wird, ist eine solche Ausführung nicht bevorzugt sondern nur dann vorteilhaft, wenn Lücken zwischen den Modulatorzellen technisch erforderlich sind. Es ist vorteilhaft, die einzelnen Bildstreifen in Richtung der linearen Ausdehnung eines SLM so stark überlappen zu lassen, dass für eine holographische Kodierung von Objektpunkten im Überlappungsbereich auf Grund des begrenzten maximalen Beugungswinkels genügend kohärent beleuchtete Modulatorzellen zur Verfügung stehen.
Ein Multiplex in zwei Dimensionen kann auch dadurch erreicht werden, dass zwei orthogonale Polygon-Spiegel vorhanden sind, wobei der erste auf den zweiten abgebildet wird. Dies verlängert zwar den Strahlengang, was aber in einem ortsfesten holographischen Anzeigegerät unproblematisch ist.
Verfügt der lineare SLM über mehrere Modulatorzellenspalten, können zur Vermeidung von Speckle benachbarte zu rekonstruierende Bildpunkte in verschiedenen Spalten kodiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Modulatorzellen der unterschiedlichen Spalten innerhalb eines Pixelrasters leicht gegeneinander versetzt sind. Eine solche Anordnung kann auch zur Erhöhung der Auflösung in Richtung der Modulatorausdehnung angewendet werden.
Die Strahlengänge können für zwei Betrachteraugen so ausgestaltet werden, dass nur ein Polygonspiegel benötigt wird, der jeweils mindestens eine Lichtablenkeinheit 260 für das rechte und das linke Betrachterauge abtastet. Die Lage der einzelnen Bildsegmente zueinander bzw. deren absolute Lage lässt sich beispielsweise auf bekannte Weise mittels photoempfindlichen Sensoren ermitteln bzw. festlegen. Notwendige Korrekturen können bei der Kodierung der Hologrammwerte berücksichtigt werden.
Werden die einzelnen Farben nicht im Zeitmultiplexbetrieb erzeugt, sondern durch unterschiedliche lineare SLM moduliert, kann für alle benötigte Farben ein gemeinsamer Polygonspiegel 415 vorhanden sein. Dazu kann beispielsweise für jede Farbe eine eigene Lichtmodulationseinheit 260 enthalten sein, der analog zu Fig. 25 je eine eigene Linsengruppe 510 zugeordnet sein kann. Die Strahlengänge können leicht versetzt in Drehrichtung des Polygonspiegels 415 angeordnet werden und unterschiedliche sich überlappende Abtastbereiche des Polygonspiegels 415 nutzen. Eine farbige Rekonstruktion erfolgt nur im gemeinsamen Überlappungsbereich, der die Größe des gemeinsamen zusammengesetzten vergrößerten virtuellen Bildes der linearen SLM der Lichtmodulationseinheiten 260 in Drehrichtung bestimmt.
Die Strahlengänge können auch quer zur Drehrichtung versetzt angeordnet werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Spiegelflächen als reflektive Multiplex-Volumengitter ausgelegt werden, die für jeden Farbanteil je nach Versatz des Modulatorbildstreifens auf der Spiegelfläche eine solche Ablenkrichtung quer zur Drehrichtung des Polygonspiegels 415 aufweisen, dass sich die Farbanteile nach dem gemeinsamen Linsensystem 520 überlagern. Dabei kann auch ohne Versatz gearbeitet werden, d.h. die einzelnen Farbanteile sind nur gegeneinander gekippt.
Alternativ kann jede Spiegelfläche für jeden Farbanteil ein eigenes Segment quer zur Drehrichtung enthalten, die gegeneinander so verkippt sind, dass sich nach dem Linsensystem 520 die einzelnen Farbanteile weitestgehend überlagern. Reflektive Volumenhologramme auf den Spiegelflächen sind dann nicht erforderlich.
Die Spiegelflächen können gekrümmte Flächen aufweisen, um zusätzliche Linsenfunktionen oder Korrekturfunktionen zu erhalten.
Die lineare Lichtmodulationseinheit 260 kann auch vorteilhaft so ausgestaltet werden, dass in ihr alle Farbanteile zusammengeführt werden. Dies kann beispielsweise mit Farbstrahlteilern erfolgen, die vor dem als Projektionsoptik dienenden Linsensystem 510 angeordnet sind.
Fig. 29 demonstriert noch einmal die schon mehrfach erwähnte Vermeidung der 0. Beugungsordnung beim Einsatz diffraktiver optischer Elemente in steuerbaren Lichtablenkmitteln 410, 420, wie sie in den meisten der hier gezeigten Beispiele angewendet werden kann. Dies ist immer dann erforderlich, wenn die 0. Beugungsordnung bei Nutzung höherer Beugungsordnungen eine störende Restintensität aufweist. Das Licht einer hier nicht dargestellten Lichtmodulationseinrichtung wird steuerbar an einem Lichtablenkmittel 410 gebeugt. Das ungebeugte Licht der 0. Ordnung tritt hier rein beispielhaft in Richtung der optischen Achse durch das Lichtablenkmittel 410, welches beispielsweise ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter sein kann, ungebeugt hindurch und wird zur Vermeidung von Streulicht mittels einer Absorptionsblende 480 aufgefangen. Das durch das steuerbare Lichtablenkmittel 410 von der optischen Achse weg gebeugte Licht tritt anschließend durch ein zweites Lichtablenkmittel 420. Rein beispielhaft trifft hier das Licht schräg auf das zweite steuerbare Lichtablenkmittel 420. Auch hier wird das ungebeugte Restlicht der 0. Beugungsordnung von einem Absorptionsfilter 490 absorbiert. Das Lichtablenkmittel 420 kann beispielsweise ebenfalls ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter oder ein Multiplex-Volumengitter sein. Das zusammengesetzte Zwischenbild 270 wird nur von gebeugtem Licht gebildet und enthält keine Anteile einer 0. Beugungsordnung. Die parallele Lage der beiden Lichtablenkmittel 410, 420 ist rein schematisch. Sie können auch gegeneinander gekippt sein, wenn dies der Strahlengang erfordert, um beispielsweise einen höheren maximalen Ablenkwinkel zu erhalten. Die Nachführung des Betrachterfensters an die Eintrittspupille des Betrachterauges ist notwendig, wenn es kleiner als die Bewegungsfreiheit der Eintrittspupille ist. Die Bewegung der Eintrittspupille kann beispielsweise bei einem HMD oder Hokular horizontal 15 mm und vertikal 10 mm betragen. Bei 1 D-Kodierung kann beispielsweise ein vertikales 15 mm großes Betrachterfenster und ein horizontales 20 mm großes Betrachterfenster verwendet werden, um die Nachführeinrichtung zu vermeiden. Eine Reduzierung des Betrachterfensters auf 5 mm ermöglicht es jedoch, die Dichte der Modulatorzellen von 725 Modulatorzellen / ° deg auf ca. 240 Modulatorzellen / ° deg zu reduzieren, was nur der vierfachen HD-TV-Bildpunktdichte entspricht. Neben der Modulatorzellendichtedichte reduziert sich die Gesamtanzahl der Modulatorzellen in diesem Fall um den Faktor 9, wenn man die Modulatorzellendichtedichte in beide Richtungen reduziert. Neben einer deutlichen Verkleinerung der Fläche des SLM und damit der optischen Bauteile ermöglicht dies auch eine erhebliche Energieeinsparung im SLM selbst. Daher ist es vorteilhaft, das Betrachterfenster klein zu halten und es der Eintrittspupille des Betrachterauges nachzuführen.
Die Verschiebung des Betrachterfensters nach der Bewegung des Betrachterauges bzw. seiner Eintrittspupille kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Das Betrachterfenster kann beispielsweise lateral verschoben werden. In einem ortsfesten Anzeigegerät bietet sich die Einführung einer Betrachterfenster-Filterebene an. Die Verschiebung des Betrachterfensters kann beispielsweise nach dieser Filterebene erfolgen. Alternativ kann die Betrachterfenster-Blendenmaske aktiv verschoben werden, beispielsweise in Form einer mechanisch verschobenen Blende oder in Form einer steuerbaren Flüssigkristallblende. Diese kann beispielsweise elektrisch oder optisch angesteuert werden. Eine optische Adressierung einer dynamisch bewegten Betrachterfensterblende ermöglicht es, eine Modulatorzellenmatrix in der Ebene der Betrachterfenster-Blendenmaske und damit störende Beugungseffekte dieser Modulatorzellenmatrix in der dynamischen Blendenebene zu vermeiden.
Eine Verkippung des Betrachterfensters in der Ebene der Eintrittspupille des Betrachterauges entspricht einer Verschiebung des zu diesem Zeitpunkt dargestellten Teiles des virtuellen SLM. Daher sollte sichergestellt werden, dass ein bei der Betrachterfenster-Nachführung eingeführter Verkippungswinkel des Betrachterfensters berücksichtigt wird. Ist genügend Überlapp einzelner virtueller SLM-Segmente im Bildraum vorhanden, so dass keine Lücken im für die Rekonstruktion vorgesehenen Betrachterraum entstehen, so ist eine angepasste Kodierung der 3D-Szene ausreichend, um die Nachführung des Betrachterfensters an die sich bewegende Eintrittspupille des Betrachterauges für den Nutzer unbemerkt einzuführen, d.h. die Kodierung erfolgt so, dass die rekonstruierten Objekte scheinbar ihre Lage bei Änderung der Lage der virtuellen SLM-Segmente beibehalten. Kleine Verkippungen, d.h. beispielsweise < 1 ° deg, des Betrachterfensters können durch kleine Verschiebungen, d.h. beispielsweise um weniger als 725 Pixel, der auf dem SLM erzeugten Subhologramme kompensiert werden. Allgemein ist dies nicht ausreichend, wenn die durch die Nachführung eingeführten Winkel zu groß sind. Somit bietet es sich an, generell die bei der Nachführung eingeführten Wnkel der Verkippung des Betrachterfensters zu kompensieren. Dies reduziert den zwischen einzelnen virtuellen SLM-Bildraum- Segmenten vorzuhaltenden Überlapp und ermöglicht eine Maximierung des darstellbaren Betrachterraumes. In Fig. 30 ist schematisch eine Anordnung dargestellt, bei der eine Nachführung eines Betrachterfensters 1200 auf die Bewegung der Eintrittspupille eines Betrachterauges 1000 durch die Änderung des mittleren Abstrahlwinkels der Lichtmodulationseinheit 260 mittels eines als steuerbaren Lichtablenkmittels 610 fungierenden Prismas mit einstellbaren Prismenwinkel erfolgt. Die Anordnung zum Erzeugen eines zusammengesetzten vergrößerten virtuellen Bildes eines SLM einer Lichtmodulationseinrichtung 260 entspricht weitestgehend Fig. 23. Es wird auch hier mittels der Lichtablenk-Einrichtung 450, welche sich nahe am Betrachterauge 1000 befindet, in Verbindung mit der Vergrößerungsoptik 810 erzeugt. Dreht sich das Betrachterauge 1000, so kann mit Hilfe des steuerbaren Lichtablenkmittels 610, welches in einer Ebene in der Nähe der Lichtmodulationseinheit 260 angeordnet sein kann, eine Ablenkung einer in der Lichtmodulationseinheit 260 modulierten Wellenfront vorgenommen werden. Das steuerbare Lichtablenkmittel 610 befindet sich im Bereich der objektseitigen Brennebene der folgenden Vergrößerungsoptik 810. Sie wandelt die Ablenkung der Wellenfront in eine Verschiebung des Betrachterfensters 1200 um. Diese kann beispielsweise 5 mm betragen, was auch bedeutet, dass der Betrachterraum um diesen Betrag verschoben wird. Mittels entsprechender synchronisierter Kodierung der 3D-Szene kann diese Verschiebung kompensiert werden, so dass sich für den Betrachter die scheinbare Lage der statischen Objekte innerhalb einer 3D-Szene nicht ändern. Es kann auch ein Korrekturwinkel in der steuerbaren Lichtablenkeinrichtung 450 synchron eingestellt werden, so dass die Szene ohne Neukodierung unter demselben Winkel sichtbar bleibt.
Das steuerbare Lichtablenkmittel 610 kann beispielsweise auch als steuerbares diffraktives Ablenkgitter ausgestaltet werden. Es kann sich auch nach der Vergrößerungsoptik 810 befinden und dort den Strahlengang versetzen. Dazu ist beispielsweise eine drehbare planparallele Platte, die ohne großen Aufwand achromatisch ausgeführt werden kann, geeignet. Die Anordnung des steuerbaren Lichtablenkmittels 610 hinter einer optional vorhandenen Strahlvereinigungsoptik in der Lichtmodulationseinrichtung 260, wie sie für eine Zweiphasenkodierung vorteilhaft verwendet wird, hat den Vorteil, dass sich der optische Weg durch eine solche Strahlvereinigungsoptik nicht ändert, da sich der Auftreffwinkel der den SLM beleuchtenden Strahlen hierbei nicht ändert. Durch Änderung des Beleuchtungswinkels einer kollimierten SLM-Beleuchtung kann ebenfalls eine Ablenkung der durch einen SLM kodierten Wellenfront zur Nachführung eines Betrachterfensters verwendet werden, wobei das Lichtablenkmittel 410 zwischen Lichtmodulationseinheit 260 und Vergrößerungsoptik 810 entfallen kann, wenn ein komplexwertiger SLM oder auch ein die Phase schiebender SLM derart ausgelegt ist, dass die Rekonstruktionsqualität der 3D-Szene auch bei eingeführter schräger Beleuchtung erhalten bleibt. Dies ist beispielsweise möglich, wenn mehrere Phase schiebende Pixel und eine iterative Berechnung der optimalen Phasenwerte verwendet werden. Ist die Anzahl der implementierten Nachführungsschritte beispielsweise gering, so lassen sich die Phasenwerte vorab für die wenigen verschobenen Positionen des Betrachterfensters berechnen. Optional kann eine Strahlvereinigungsoptik auch steuerbare Phasenverzögerungsmittel aufweisen, mit denen sich Änderungen der Phasenverschiebung bei schrägem Strahldurchgang kompensieren lassen. Solche steuerbaren Phasenverzögerungsmittel können beispielsweise steuerbare doppelbrechende Flüssigkristallschichten aufweisen.
Im Allgemeinen ist es jedoch vorteilhafter, die Drehung des vom SLM abgestrahlten Wellenfeldes nach diesem vorzunehmen, d.h. dieses beispielsweise in unmittelbarer Nähe hinter einer Strahlvereinigungsoptik der Lichtmodulationseinrichtung 260 anzuordnen. Die Lichtmodulationseinrichtung 260 kann jedoch auch auf das steuerbare Lichtablenkmittel 610 abgebildet werden. Der Strahlengang nach Fig. 30 kann eine kurze Baulänge aufweisen und ist so beispielsweise in einem HMD vorteilhaft anwendbar. In einem ortsfesten Gerät bietet es sich an, eine Betrachterfenster- Filterblenden-Ebene oder auch eine Abbildung des SLM auf das Lichtablenkmittel 610 vorzunehmen.
Da die Bewegung der Eintrittspupille des Betrachterauges 1000 relativ langsam erfolgt, kann für das Lichtablenkmittel 610 ein Ablenkelement verwendet werden, welches nur etwas schneller als es die Bewegung der Eintrittspupille des Betrachterauges 1000 arbeitet. Somit kann beispielsweise ein refraktives Lichtablenkmittel 610 eingesetzt werden, was wie ein Bildstabilisierungsprisma arbeitet.
Zur Nachführung des Betrachterfensters auf die Eintrittspupille des Betrachterauges 1000 kann zur Detektion der Position der Eintrittspupille beispielsweise ein Strahlteiler und eine Abbildungsoptik vorhanden sein, welche die Eintrittspupille beispielsweise auf einen CMOS-Kamera-Detektor abbildet, mit deren Hilfe über Bildverarbeitungsalgorithmen die Bewegung des Betrachterauges 1000 bzw. seiner Eintrittspupille ermittelt wird.
Für die Rekonstruktion einer holographisch kodierten räumlichen Szene mithilfe einer zeitsequentiellen Zusammensetzung eines vergrößerten virtuellen Bildes eines einem SLM wird, um eine ausreichende Helligkeit der rekonstruierten Szene zu erhalten, eine starke Lichtquelle benötigt, da sich deren Licht auf alle Bildsegmente verteilt. Es ist deshalb auf eine hohe Lichteffizienz aller beteiligten optischen Komponenten zu achten. Fig. 31 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, wie mithilfe einer Mikrolinsenanordnung 290 der Füllfaktor eines SLM 200 erhöht und damit seine Energieeffizienz gesteigert werden kann. Gleichzeitig werden Kanteneffekte, die nicht schon durch eine Abschattungsmaske (black matrix) unterdrückt werden können, minimiert. Solche Kanteneffekte entstehen beispielsweise durch Streufelder am Rand des aktiven Gebietes der Modulatorzellen oder im Bereich zwischen diesen Gebieten. Durch die Streufelder werden die gewünschten Phasen und/oder Intensitätswerte verfälscht.
Der reflektive SLM 200 wird durch die flache Vorderseitenbeleuchtung 150 mit einer ebenen Wellenfront 140 beleuchtet. Die einzelnen Linsen der Mikrolinsenanordnung 290 konzentrieren das Licht auf die reflektiven Modulatorzellen des SLM 200, so dass die Zwischenräume zwischen diesen Modulatorzellen möglichst kein Licht erhalten und damit kein störendes Streulicht erzeugen können. Das von den einzelnen Modulatorzellen modulierte Licht wird von den Linsen der Mikrolinsenanordnung 290 aufgeweitet und tritt als modulierte Wellenfront 240 durch die flache Vorderseitenbeleuchtung 150 hindurch.
Die einzelnen Linsen der Mikrolinsenanordnung 290 sind jeweils einer Modulatorzelle des SLM 200 zugeordnet. Das Raster der Mikrolinsenanordnung 290 kann mit dem Raster der Modulatorzellen des SLM 200 übereinstimmen. Beide Bauteile sollten so gegeneinander justiert werden, dass die Foki der einzelnen Mikrolinsen jeweils im Zentrum der zugeordneten Mikrolinsen liegen. Durch diese Anordnung wird die Ausleuchtung der Kanten der SLM-Pixel minimiert, bzw. vollständig vermieden. Der Übergansbereich zwischen zwei benachbarten Pixeln ist bezüglich der Phase nicht genau definiert, d.h. er weist einen Übergansbereich benachbarter Phasenwerte auf. Diese, die Rekonstruktion störenden Bereiche werden nicht ausgeleuchtet.
Zusätzlich kann beispielsweise eine Amplituden-Apodisationsfunktion mittels der Intensitätsverteilung in den Foki der Mikrolinsen implementiert werden. Zur Optimierung kann beispielsweise zudem zusätzlich dazu eine Amplitudenmaske verwendet werden, so dass beispielsweise effektiv eine kosinusförmige oder Grauß-förmige Amplitudenverteilung einzelner SLM-Pixel realisiert wird. Derartige Filterfunktionen, wie beispielsweise auch das Kaiser-Bessel-Fenster, reduzieren die in höheren Beugungsordnungen des SLM auftretenden Intensitäten.
Die Mikrolinsenanordnung 290 kann zusätzlich über eine Apodisationsmaske verfügen, um höhere Beugungsordnungen, die durch das Raster der Modulatorzellen entstehen, weitestgehend zu unterdrücken. Eine Apodisation kann auch dadurch erreicht werden, dass sich die Foki der Mikrolinsen nicht genau in der Ebene der Modulatorzellen befinden, sondern leicht gegen diese dejustiert sind. Mit einer leichten Defokusierung kann eine Anpassung der beschriebenen Wirkungen der zugeordneten Mikrolinse an die Größe der aktiven Fläche erfolgen. Dazu kann die Linsenform bezüglich ihrer optischen Übertragungsfunktion optimiert werden. Sie kann auch plan sein und ein Gradientenindexprofil aufweisen.
Bei Verwendung eines transmissiven Modulators kann sich eine Mikrolinsenanordnung auch im Lichtweg zwischen einer Rückseitenbeleuchtung und den Modulatorzellen befinden, um das unmodulierte Licht der Rückseitenbeleuchtung auf die aktive Fläche der Modulatorzellen zu konzentrieren. Eine Apodisationsmaske kann auch ohne die Verwendung von Mikrolinsen eingesetzt werden. Mikrolinsen können jedoch dazu verwendet werden, die effektive Transmission zu erhöhen.
Fig. 32 zeigt die Verwendung der Mikrolinsenanordnung 290 in Verbindung mit einer Strahlvereinigungsoptik, die aus einer strukturierten Verzögerungsplatte 320, einer Verzögerungsplatte 330 und einem Polarisator 310 besteht. Bei der Verwendung von Laserlicht liegt in der Brennebene der Mikrolinsen der Mikrolinsenanordnung 290 jeweils eine Strahltaille vor. In dieser Strahltaille ist die Phase plan. Mithilfe der Strahlvereinigungsoptik wird eine komplexwertige Modulation durch Vereinen des Lichtes zweier benachbarter Modulatorzellen erzeugt. Die strukturierte Verzögerungsplatte 320 (structured retarder) wird beispielweise auf dem Substrat der Mikrolinsenanordnung 290 angeordnet, um abwechselnden Modulatorspalten orthogonale Polarisationen aufzuprägen.
Die Vorderseitenbeleuchtung 150 beleuchtet das Mikrolinsenfeld dazu mit einer unmodulierten Wellenfront 140. In der Vorderseitenbeleuchtung 150, die auch dick ausgeführt werden kann, breitet sich das Licht einer hier nicht dargestellten Lichtquelle beispielsweise zickzackförmig, d.h. beispielsweise mit einem Winkel von 45 ° deg, aus. Es kann beispielsweise auch eine sehr schräge Beleuchtung eines Volumengitters, beispielsweise unter 84,26 ° deg als Vorderseitenbeleuchtungseinheit verwendet werden, wobei beispielsweise ein Austrittswinkel nahe 0 ° deg realisiert wird. Ist das Volumengitter hinreichend dick, so kann beispielsweise eine leicht schräge Beleuchtung des SLM und die geringe Winkelakzeptanz benutzt werden, um bei der Beleuchtung des reflektiven SLM Hin- und Rückweg zu trennen. Die unmodulierte Wellenfront 140 verlässt nach einem ersten Durchgang durch die strukturierte Verzögerungsplatte 320, anschließender Modulation an den reflektiven Modulatorzellen und dessen zweiten Durchgang durch die strukturierte Verzögerungsplatte 320 die Vorderseitenbeleuchtung 150 als modulierte Wellenfront 240 mit orthogonal polarisierten Spalten. Diese orthogonal polarisierten Spalten werden in der unstrukturierten Verzögerungsplatte 320 jeweils zusammengeführt. Hinter der Verzögerungsplatte 320 ist der Polarisationsfilter 310 angeordnet, der die Projektionen der orthogonalen Polarisationen unter 45 ° deg passieren lässt. Hinter dem Polarisationsfilter 310 liegt die modulierte komplexwertige Wellenfront 350 vor, welche die holographisch kodierte 3D-Szene beinhaltet.
Generell kann die Zusammensetzung des Bildraumes auch ohne aktive Elemente erreicht werden. Beispielsweise können 5 LCOS SLM verwendet werden, um im virtuellen Bildraum vertikal übereinander gelegt zu werden. Diese können zeitlich nacheinander RGB-Inhalte darstellen. Es können auch drei Einheiten, die beispielsweise aus jeweils 5 LCOS bestehen, als RGB-LCOS- Einheiten betrieben werden. D.h. es können auch 15 LCOS verwendet werden, um einen großen Betrachterbereich farbig darzustellen. Der Ansatz des Multiplex kann auch auf Sub-Farben erweitert werden. So können beispielsweise zwei SLM mit unterschiedlichen blauen Wellenlängen beleuchtet werden, die sich beispielsweise nur um 5 nm unterscheiden.
Dies kann auch als eine Form der Ausdünnung der 3D-Objektszene verwendet werden, wenn die Betrachterbereiche der beteiligten SLM's, die zeitlich versetzt abgebildet werden, ineinander liegen. Ein SLM stellt dann jeweils nur einen Teil der Bildpunkte der 3D-Szene dar, wobei ein anderer SLM oder andere SLM's einen anderen Teil der Bildpunkte im gemeinsamen Betrachterbereich darstellen, um Speckle und Interferenzen zwischen benachbarten Pixeln zu verringern. Die Ausdünnung dient der Reduktion des kohärenten Übersprechens zwischen Nachbarpunkten.
Diese Form der Ausdünnung braucht jedoch nicht in jeder Ausführung einen Wellenlängenversatz. Beispielsweise können SLM's mit gleicher Wellenlänge beleuchtet werden, die von unterschiedlichen Lasern oder allgemein unterschiedlichen Lichtquellen stammen. Beispielsweise können Volumengitter verwendet werden, um über Winkelmultiplex oder Polarisations-Multiplex eine Zusammensetzung der Modulatorbilder zu erhalten oder hier im Falle einer Ausdünnung, einer Ineinandersetzung des Bildraumes. Für Polarisations-Multiplex gibt es zudem eine Reihe klassischer optischer Bauteile. Diese sind beispielsweise Polarisationsstrahlteilerwürfel, Polarisationsstrahlteilerplatten, Draht-Gitter- Polarisatoren (wire grid polarizer) und Volumengitter, welche definierte Beugungswinkel aufweisen. Eine weitere Ausführung eines kompakten Setup eines HMD kann eine Kombination eines Vergrößerungssystems mit einer Feldlinse aufweisen, bei dem die Vergrößerung des räumlichen Lichtmodulators nur gering ist, so dass das Bild des räumlichen Lichtmodulators nahe am Betrachter virtuell dargestellt werden kann. Eine Nachführeinrichtung ist nicht erforderlich. Die virtuelle Abbildung des komplexwertigen SLM mit geringer Vergrößerung und in geringem Abstand zum Auge ist eine für 2D kodierte Subhologramme bevorzugte Ausführungsform.
Die Lichtablenk-Einrichtung kann in weiterer Ausführungsform ein Lichtablenkelement aufweisen, das z.B. eine fest vorgebbare Anzahl refraktiv wirkende Schichten enthält, mit denen eine vom räumlichen Lichtmodulator kommende modulierte Wellenfront mehrfach nebeneinander in Segmente zusammengesetzt wird. Die zusammengesetzte Abbildung trifft direkt oder über eine weitere Abbildung auf ein Shutterdisplay, dessen Öffnungen lichtdurchlässig steuerbar sind. Über die jeweiligen Segmente der Mehrfachabbildung für die darzustellenden Raumwinkelbereiche wird das Licht, welches vom SLM kommt und welches jeweils die für das aktuelle Segment korrekte Kodierung aufweist, mittels angesteuerter Shutter-Segmente in Richtung der Augenpupille in vorgebbarer Reihenfolge weitergeleitet.
Die Lichtablenk-Einrichtung ist mit einer Linse mit Feldlinsenfunktion zu einer Strahlvereinigungsoptik kombinierbar.
Das erfindungsgemäße holographische Display ist nicht nur in einem HMD, sondern in anderen Anzeigegeräten zur 3D Darstellung anwendbar. Die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen eines holographischen Displays sind im HMD jeweils für beide Augen des Betrachters in der Displayeinrichtung ausführbar.
Die Nachführeinrichtung kann insbesondere bei sehr großer Vergrößerung des virtuellen SLM, z.B. mit steuerbaren Flüssigkristall-Gittern, steuerbaren Prismenzellen auf der Basis von Elektrobenetzung (electrowetting, EW), steuerbaren Flüssigkristall-Prismenzellen, steuerbaren ausgedehnten Prismenzellen, oder auch in tieferer Bauweise, mit Scan-Spiegeln aufgebaut sein.
Die zusätzlichen Farbfilter zum Erzeugen der farbigen Rekonstruktion verringern bei einem räumlichen Lichtmodulator, der beispielsweise ein LCOS Modulator sein kann, zwar die Bildrate auf 1/3, erhöhen jedoch die Anzahl der auf dem SLM notwendigen Modulatorzellen um den Faktor 3. Deshalb kann es sinnvoll sein, einen separaten SLM für jede Farbe RGB, d.h. einen R-SLM, einen G-SLM und einen B- SLM zu verwenden. Diese drei separaten SLM können z.B. mit einem refraktiven Farb- Vereinigungswürfel (X-Cube) zusammengefasst werden.
Werden z.B. Holographisch Optische Elemente (HOE) für den LCOS und RGB-LCOS Modulator eingesetzt, sollten sie für beide LCOS Varianten kombiniert verwendet werden, so dass ein HMD leicht und kompakt gebaut sein kann. Ebenso sind reflektive und katadioptrisch ausgestaltete Bauelemente in HMD's für eine kompakte Bauweise verwendbar. Es ist auch möglich, zwei SLM, d.h. z. B. zwei LCOS-SLM oder zwei MEMS-Hubspiegel-SLM, für die zeitsequentielle Darstellung von mehr als zwei Farben zu verwenden. Die zeitliche Folge kann beispielsweise R_SLM1 , G_SLM2, B_SLM1 , R_SLM2, G_SLM1 , B_SLM2, R_SLM1 usw. sein. Dies kann einen Kompromiss zwischen vorhandener Bildwiederholrate und Bautiefe darstellen. Die zeitsequentielle Beleuchtung ist dabei so auszulegen, dass jeder SLM mit allen Farben beleuchtet werden kann.
Zum Segmentieren des SLM können in der Lichtablenk-Einrichtung eine aktive und ein oder zwei passive steuerbare Schichten eingesetzt werden.
Beispielsweise kann die vom SLM modulierte Wellenfront von einem Flüssigkristall-Gitter in die Feldlinsenebene eindimensional mit der Folge 1 , 2, 3, 4 und 5 abgelenkt werden, wobei beispielsweise der Index 3 zu keiner Ablenkung führt, d.h. kein Phasengitter in das Flüssigkristall-Gitter eingeschrieben ist. Ein mit vorgegebenem Abstand folgendes Volumengitter kann nun beispielsweise Wellenfronten, welche Einfallwinkel aufweisen, die den Indizes 1 bis 5 in der Feldlinsenebene entsprechen, in Richtung des Auges ablenken. Neben der reinen Umlenkung einer den SLM scannenden modulierten Wellenfront kann das Volumengitter dabei gleichzeitig die Funktion der Feldlinse realisieren. Dies ermöglicht ein Reduzieren der notwendigen Komponenten innerhalb des HMD. In diesem Beispiel weist die Lichtablenk-Einrichtung nur ein schaltbares Lichtablenk-Element auf. Neben einem steuerbaren Flüssigkristall-Gitter mit einstellbarer Gitterperiode kann die Funktion der steuerbaren, bzw. schaltbaren Lichtablenkung auch von PDLC-Gittern oder anderen schaltbaren Elementen erfüllt werden.
Der SLM kann auch mit einer Wellenfront beleuchtet werden, die bereits eine Feldlinsenfunktion enthält. Diese Wellenfelder können konkav oder konvex gekrümmt sein. Sie können den SLM so beleuchten, dass die 0. Beugungsordnung der die Wellenfront erzeugenden Elemente bzw. der an der Modulatorzellenstruktur des SLM gebeugten Lichtes nicht zur Bilderzeugung beiträgt, so dass Streu- bzw. Störlicht vermieden wird.
Streuelemente mit schalt- bzw. steuerbarer Streucharakteristik können aber vorgesehen sein, um eine Umschaltung von einer 3D zu einer 2D Darstellung ausführen zu können. Dazu sollte der SLM oder Segmente des SLM und/oder ein virtuelles Bild der Mehrfachabbildung des SLM mit der Streuebene in nahezu einer Ebene liegen. Bei einer statischen Darstellung des SLM mit einem Shutterdisplay in der Lichtablenk-Einrichtung kann z.B. der SLM fünfmal als Segment in der Feldlinsenebene dargestellt sein. Zu einem Zeitpunkt ist jeweils die gewünschte Shutteröffnung freigegeben, wobei der SLM mit der für dieses Segment zugehörigen Information für die holographische Rekonstruktion kodiert ist. Ein Shutterdisplay ist dabei ein Display, welches nur über eine einzelne ausgedehnte schaltbare Fläche oder eine geringe Zahl solcher Flächen verfügt. Es kann jedoch auch durch ein hoch aufgelöstes Display gebildet werden, bei dem durch Ansteuerung der Modulatorzellen in dem jeweils gewünschten Bereich eine Lichtdurchlässigkeit erzeugt wird. Die vervielfachten SLM können das Frustum ganz oder teilweise ausfüllen, und das Frustum kann neben- oder ineinander übergehende Darstellungen dreidimensional oder als 2D/3D Darstellung aufweisen.
Das Prinzip der Mehrfachabbildung kann z.B. für eine Anwendung mit mindestens zwei SLM abgewandelt werden, indem z.B. jeder SLM nur 50% einer Objektpunktwolke in einer zu rekonstruierenden 3D Szene darstellen soll. Die Verwendung mehrerer schmalbandiger Wellenlängenbereiche für jeweils jede Grundfarbe, z. B. R1 G1 B1 und R2G2B2, oder zweier zueinander orthogonaler Polarisationsrichtungen bzw. einer Kombination beider Varianten ist hier einsetzbar. Die ausgedünnten Objektpunktwolken sind ineinander verschachtelt darstellbar. Für die Zusammenführung der Strahlenverläufe der eingesetzten SLM können z.B. weilenlängen-, polarisations- und/oder winkelabhängige optische Komponenten wie beispielsweise Volumenhologramme enthalten sein.
Es können auch mindestens zwei SLM so angeordnet werden, dass die Kodierungsrichtung bei einer eindimensionalen Kodierung zueinander einen Winkel aufweist, beispielsweise orthogonal zueinander ist. Dadurch kann die wahrgenommene Verbreiterung der Objektpunkte durch den Betrachter reduziert werden. Die Überlagerung kann inkohärent, teilkohärent oder kohärent, d. h. interferenzfähig, erfolgen.
Mit diesem Setup können gleichzeitig optisches Übersprechen (cross talk) zwischen Szenepunkten und Specklemuster der Rekonstruktion reduziert werden. Bei einer 1 D-Kodierung kann die für die Erzeugung des Betrachterfensters notwendige 1 D-Streuung passiv oder aktiv eingeführt werden. Aktive Streuer, wie beispielsweise Flüssigkristall-Gitter, d.h. beispielsweise Polarisationsgitter, die variable Gitterperioden und eine Superposition unterschiedlicher Gitterperioden erzeugen können, sind bevorzugt, da Speckle in der Richtung des Betrachterfensters auch bei der Verwendung von sehr kohärenten Lichtquellen ausreichend reduziert werden kann. Die Elektroden von Flüssigkristall-Polarisationsgittern, die Flüssigkristalle aufweisen, die in der Ebene des Gitters gedreht werden und damit gedrehten doppelbrechenden Segmenten entsprechen, können beispielsweise mit hinreichend schnell und statistisch schwankenden Spannungen beaufschlagt werden, so dass eine Streufunktion realisiert wird. Die Abstrahlcharakteristik der Streufunktion kann über die vorhandenen Raumfrequenzen des synthetischen Phasengitters angepasst, d.h. optimiert werden.
Aktive Streuer können auch in der Lichtquellenebene eingesetzt werden, um die räumliche Kohärenz anzupassen.
Es können auch schalt- bzw. steuerbare Flüssigkristall-Streuer verwendet werden, die beispielsweise hintereinander geschaltet werden können. Es können auch Flüssigkristall-Streuer eingesetzt werden, die eine schnelle zeitliche Fluktuation der Phase in nur einer Flüssigkristall-Ebene realisieren.
Die Verwendung rotierender oder allgemein bewegter Mattscheiben in der Ebene der Lichtquelle bietet sich in ortsfesten Anzeigegeräten an.
Es ist jedoch auch möglich, sehr dünne 1 D- oder 2D-Streufolien mit elektrisch steuerbaren Aktuatoren, beispielsweise piezokeramische (PZT) Aktuatoren oder Magnetspulenantriebe, ausreichend schnell und ausreichend vibrationsarm zu bewegen, so dass ein Einsatz in HMD's ermöglicht wird.
Flache Backlight-, Frontlight- und Kantenbeleuchtungs-Einrichtungen können in das HMD implementiert sein.
Weiterhin sind in der Displayeinrichtung Steuermittel vorgesehen, mit der alle schalt- bzw. steuerbaren Elemente angesteuert werden und, falls erforderlich, miteinander synchronisiert werden.
Weiterhin können Komponenten als separate Module zusammengefasst werden, um das Gewicht eines HMD zu verringern. Beispielsweise kann eine Elektronik-, Lichtquellen- und/oder Batteriebox separat am Betrachter befestig bar sein.
Die beschriebenen Displayausführungen sind in weiteren, hier nicht genannten holographischen und/oder autostereoskopischen Anzeigeeinrichtungen anwendbar.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Insbesondere könnten die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele - soweit möglich - miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Anzeigegerät, insbesondere ein Head-Mounted Display oder Hokular, mit einem räumlichen Lichtmodulator (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250), mit einer Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) und mit wenigstens einem Abbildungssystem, wobei der räumliche Lichtmodulator (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) mit mindestens in eine Richtung kohärenten Wellenfronten beleuchtbar ist, wobei die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet ist, dass steuerbar in einer zeitlichen Abfolge mindestens eindimensional eine aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 ,202, 206, 207, 250) erzeugbar ist, wobei die Mehrfachabbildung mindestens mit einer vorgebbaren Anzahl von Segmenten erfolgt, welche die Größe eines Sichtbarkeitsbereiches bestimmt, innerhalb dem eine im räumlichen Lichtmodulator holographisch kodierte 3D Szene zum Betrachten für ein Betrachterauge (1000, 1001 , 1002) rekonstruierbar ist.
2. Anzeigegerät nach Anspruch 1 , bei dem die steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet ist, dass die aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 ,202, 206, 207, 250) in der Ebene einer Feldlinse erzeugbar ist.
3. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet ist, dass sich die Segmente des mehrfachen virtuellen Bildes des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) im Wesentlichen lückenlos anschließen oder sich gegenseitig teilweise überlagern, wobei die Bereiche von Überlagerungen bei der Kodierung der Hologramminformation berücksichtigbar sind.
4. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlichen Abbildungsmittel im Strahlenverlauf vorgesehen sind, mit denen die von der steuerbaren Lichtablenk- Einrichtung (400, 401 , 402, 450) aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 ,202, 206, 207, 250) weiter vergrößert abbildbar ist.
5. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet ist, dass die Anzahl und/oder Größe von Segmenten zum
Zusammensetzen der Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) veränderbar ausgestaltet ist.
6. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) mindestens ein steuerbares Lichtablenkmittel (410, 420, 460, 470) aufweist, das ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter variabler Gitterperiode aufweist.
7. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) mindestens ein Volumenhologramm enthält, das mindestens zwei verschiedene Beugungswinkel aufweist, die durch mindestens zwei verschiedene Eintrittswinkel und/oder zwei verschiedene Wellenlängen des Lichtes zum Beleuchten des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) auswählbar sind.
8. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Strahlenverlauf mindestens ein Filter (580, 590) vorgesehen ist, mit dem höhere Beugungsordnungen der vom räumlichen Lichtmodulator (200, 201 ,202, 205, 206, 207, 250) kodierten Wellenfronten filterbar sind.
9. Anzeigegerät nach Anspruch 8, bei dem das Filter (590) in der mittleren Brennebene eines teleskopischen Abbildungssystems angeordnet ist.
10. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine steuerbare Nachführeinrichtung (600) vorgesehen ist, mit der ein Betrachterfenster in Abhängigkeit von der Augenbewegung steuerbar dieser Bewegung nachführbar ist.
1 1 . Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet ist, dass zusätzlich zum Erzeugen einer in Segmenten zusammengesetzten Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) ein virtuelles Betrachterfenster in Abhängigkeit von der Augenbewegung steuerbar dieser Bewegung nachführbar oder die steuerbare Nachführeinrichtung (600) unterstützbar sind.
12. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Einstellmittel vorgesehen sind, um ein Betrachterfenster manuell oder automatisch an die Lage einer Augenpupille eines Auges eines Betrachters und damit beispielsweise an den Augenabstand anzupassen.
13. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) und/oder die Nachführeinrichtung (600) so ausgestaltet ist, dass sie steuerbar das Betrachterfenster an die Lage der Augenpupille einstellt oder weitere dafür vorgesehene Einstellmittel unterstützt.
14. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) und/oder weitere optische Komponenten Abbildungssystems zum Erzeugen und/oder zum Abbilden der Segment der zusammengesetzten Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) so ausgestaltet sind, dass diese aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung gekrümmt erzeugbar und/oder abbildbar ist und dass diese Krümmung bei der Kodierung der dreidimensionalen Szene Berücksichtigung findet.
15. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Abbildungssystem (500, 800) und/oder die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet sind, dass die aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) anamorphotisch erfolgt.
16. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein telezentrisches Abbildungssystem vorgesehen ist, in dessen objektseitiger Brennebene eine Lichtablenk-Einrichtung (450) angeordnet ist, die steuerbar das vom räumlichen Lichtmodulator (200, 201 , 202, 205, 206, 207, 250) kommende Licht verkippt.
17. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine weitere Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) vorgesehen ist, die eine weitere aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung eines weiteren räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 202,
205, 206, 207, 250) erzeugt und das diese aus Segmenten zusammengesetzten Mehrfachabbildungen ineinandergeschachtelt und/oder gegeneinander gedreht und/oder gegeneinander verschoben und/oder in der Tiefe gestaffelt sind und mit der Augenpupille eines Betrachterauges (1000, 1001 , 1002) einen gemeinsamen Betrachterbereich definieren und wobei deren Teilbereiche aneinander angrenzen oder sich ganz oder teilweise überlagern, wobei die Überlagerung inkohärent, teilkohärent oder kohärent erfolgt und wo in jedem Teilbereich eine 2D Darstellung und/oder eine 3D- Stereodarstellung und/oder eine holographische 3D-Rekonstruktion vorliegt.
18. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) ein steuerbares Flüssigkristall-Gitter variabler Gitterperiode und/oder ein Multiplex-Volumengitter so angeordnet ist, dass Licht der nullten Beugungsordnung ungenutzt durch dieses hindurch tritt und vom weiteren aktiven Strahlenverlauf fern haltbar ist.
19. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der räumliche Lichtmodulators als linearer räumlichen Lichtmodulator (205, 206, 207, 250) ausgestaltet ist, der durch ein Lichtablenkmittel quer zu seiner linearen Ausdehnung abtastbar ist und dessen Abtastbild durch die steuerbare Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) in Richtung seiner linearer Ausdehnung in zeitlicher Folge mehrfach übereinander zusammensetzbar ist.
20. Anzeigegerät nach Anspruch 19, bei dem ein Polygonspiegel (415) vorgesehen ist, bei dem mindestens zwei Spiegelflächen gegeneinander so verkippt sind, das deren jeweiligen Abtaststreifen senkrecht zur Abtastrichtung übereinander liegen oder sich leicht überlappen.
21 . Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Mikrolinsenanordnung (290) vor und/oder hinter einem räumlichen Lichtmodulator (200, 201 , 201 , 205,
206, 207, 250) vorgesehen ist.
22. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Mikrolinsenanordnung (290) am Ort eines Zwischenbildes (280) und/oder am Ort eines aus Segmenten zusammengesetzten Zwischenbildes des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 201 , 205, 206, 207, 250) vorgesehen ist.
23. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Apodisationsmaske auf der dem Betrachterauge (1000, 1001 , 1222) zugewandten Seite des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 201 , 205, 206, 207, 250) vorhanden ist und/oder eine Apodisationsmaske am Ort eines Zwischenbildes (280) und/oder am Ort eines aus Segmenten zusammengesetzten Zwischenbildes des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 , 201 , 205, 206, 207, 250, 250) vorgesehen ist.
24. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der steuerbaren Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) ein Volumengitter und/oder ein Multiplexvolumengitter vorhanden ist, dessen Einhüllende der Brechungsindexmodulation gezielt über die Wahl der Kohärenz der bei deren Herstellung zur Belichtung verwendeten Wellenfelder eingestellt wurde.
25. Anzeigegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtablenk-Einrichtung (400, 401 , 402, 450) so ausgestaltet ist, dass steuerbar in einer zeitlichen Abfolge mindestens eindimensional eine aus Segmenten zusammengesetzte Mehrfachabbildung des räumlichen Lichtmodulators (200, 201 ,202, 206, 207, 250) in einem flachen Wellenleiter erzeugbar ist.
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