WO2019122295A2

WO2019122295A2 - Anzeigevorrichtung und verfahren zur nachführung eines virtuellen sichtbarkeitsbereichs

Info

Publication number: WO2019122295A2
Application number: PCT/EP2018/086493
Authority: WO
Inventors: Norbert Leister; Bo Kroll
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: US20200333609A1; TWI821229B; CN111656289A; WO2019122295A3; DE112018006500A5; US12298522B2; KR102690754B1; TW201932915A; JP2021509727A; CN111656289B; KR20200101420A; JP7304353B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen. Die Anzeigevorrichtung weist wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht, wenigstens eine räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, wenigstens ein optisches System und eine Nachführeinrichtung auf. In die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung ist mittels einer Einzel-Parallaxe-Kodierung ein Hologramm kodiert. Das wenigstens eine optische System ist zur Erzeugung wenigstens eines virtuellen Sichtbarkeitsbereich am Ort eines Auges eines Betrachters vorgesehen. Mittels der Nachführeinrichtung ist die Kodierungsrichtung des Hologramms auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung veränderbar.

Description

Anzeigevorrichtung und Verfahren zur Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen. Die Erfindung soll sich insbesondere auf eine holographische Anzeigevorrichtung beziehen, insbesondere auf eine nah am Auge eines Betrachters vorgesehene Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise ein Head-Mounted-Display. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, mit dem eine Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs, insbesondere in einem kleinen Bereich, realisiert werden kann.

Im Vergleich mit autostereoskopischen Displays bzw. Anzeigevorrichtungen stellen holographische Displays bzw. Anzeigevorrichtungen wesentlich größere Herausforderungen bezüglich der Auflösung einer in der holographischen Anzeigevorrichtung vorliegenden und für die Kodierung eines Hologramms verwendeten räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und dem Berechnungsaufwand des Hologramms dar.

In der WO 2006/066919 A1 ist beispielsweise beschrieben, wie diese Erfordernisse reduziert werden können. Dort wird beispielsweise die Erzeugung eines virtuellen Betrachterfensters beschrieben, das innerhalb einer Beugungsordnung des Fourierspektrums des in der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kodierten Hologramms vorgesehen ist und durch welches ein Betrachter eine rekonstruierte, vorzugsweise dreidimensionale Szene in einem Rekonstruktionsraum beobachten kann, der sich vor und/oder hinter der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung erstrecken kann.

Bezüglich einer Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunkts bedeutet dies, dass für einen beliebigen Objektpunkt der Szene ein Subhologramm in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung kodiert wird. Die Ausdehnung und die Position des Subhologramms auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kann beispielsweise in einer Ausführung durch eine Projektion des virtuellen Betrachterfensters bzw. des Sichtbarkeitsbereichs über den Objektpunkt auf die räumliche Lichtmodulationseinrichtung definiert werden. Das Gesamthologramm der vorzugsweise dreidimensionalen, eine Vielzahl von Objektpunkten aufweisenden Szene wird dabei als eine Überlagerung von Subhologrammen aller Objektpunkte der dreidimensionalen Szene dargestellt. Die einzelnen Subhologramme werden dabei nicht komplett einander überlagert, sondern sind entsprechend ihrer zu rekonstruierenden Objektpunkte vielmehr zueinander verschoben, so dass nur ein Teil ihrer Fläche durch ein oder mehrere Subhologramme überlagert wird. Mit anderen Worten, die Erzeugung von räumlichen Bildpunkten in einer holographischen Anzeigevorrichtung kann mit Hilfe der Kodierung von Objektpunkten in Subhologrammen erfolgen. Die Kodierung kann dabei in einem externen allgemeinen Computersystem oder in einer im holographischen Display eingebauten Steuereinheit erfolgen. Dabei ist bisher bekannt, dass die Ausdehnung eines jeden Subhologramms in der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung fest, beispielsweise nur von der Tiefenposition eines Objektpunktes zur räumlichen Lichtmodulationseinrichtung abhängig oder entsprechend der Anforderungen variabel sein kann. Ferner ist bekannt, dass sich der geometrische Ort des Subhologramms auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und seine Ausdehnung entsprechend den technischen Erfordernissen, wie zum Beispiel die Position von Augen eines Betrachters der rekonstruierten Szene zur räumlichen Lichtmodulationseinrichtung oder auch die Position eines Voxels bzw. eines Pixels innerhalb der darzustellenden Szene, ändern können. Die Berechnung der Kodierungswerte der Displaypunkte setzt sich im Allgemeinen aus den Kodierungswerten vieler Objektpunkte zusammen. In einer Berechnungseinheit erfolgt dabei die Berechnung der Kodierungswerte meist mit höherer Auflösung als die eigentliche Panel-Bittiefe. Erst nach der Berechnung der Kodierungswerte erfolgt die Normierung und Abbildung auf die Pixelwerte, wobei beispielsweise Nichtlinearitäten der Gammakurve oder weitere pixelabhängige Kalibrierwerte berücksichtigt werden können.

Zudem können mehrere unterschiedliche oder gleichartige Pixel oder Subpixel der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zu einem Makropixel zusammengefasst werden. Es können jedoch auch räumliche Lichtmodulationseinrichtungen vorliegen, in denen dies nicht der Fall ist. Derartige räumliche Lichtmodulationseinrichtungen können ebenfalls gemäß der Erfindung verwendet werden.

In Fig.1 ist eine Vorrichtung gezeigt, bei der die Erzeugung von Subhologrammen SH für eine Vielzahl von Objektpunkten in verschiedener Tiefe zu einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung SLM als Projektion eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs VW über den jeweiligen Objektpunkt auf die räumliche Lichtmodulationseinrichtung SLM erfolgt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Lage der Subhologramme auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung SLM von der relativen Lage der Objektpunkte zum Sichtbarkeitsbereich VW abhängig ist. Ferner ist die Abmessung oder Ausdehnung oder Größe der Subhologramme von der z-Position des kodierten Objektpunktes abhängig, wobei z der Abstand des Objektpunktes zur räumlichen Lichtmodulationseinrichtung SLM ist. Es erfolgt dabei zumeist eine Überlappung von Subhologrammen. Für eine holographische Rekonstruktion von Szenen, vorzugsweise dreidimensionalen Szenen, werden Subhologramme in Verbindung mit einem virtuellen Sichtbarkeitsbereich, auch als Betrachterbereich oder Betrachterfenster bezeichnet, verwendet, durch welches ein Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten kann.

Bezüglich Head-Mounted-Displays (HMD), Head-Up-Displays (HUD) oder Projektionsdisplays mit einem realen oder virtuellen Bild der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, auch als SLM abgekürzt, soll sich der hier verwendete Begriff „SLM“ auf das Bild des SLM beziehen, das vom virtuellen Sichtbarkeitsbereich aus sichtbar ist.

Für die Erzeugung einer dreidimensionalen Szene mittels Holographie wird in der Regel das Einschreiben eines komplexwertigen Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung benötigt. Es können hierbei mehrere Pixel der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung entweder mittels Kodierung zu einem Makropixel zusammengefasst oder mit einer Strahlvereinigungseinheit (beam combiner) zu einem Makropixel kombiniert werden.

Eine holographische Anzeigevorrichtung beruht unter anderem auf dem Effekt der Beugung an den Aperturen der Pixel der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und der Interferenz von kohärentem Licht, das von einer Lichtquelle abgegeben wird. Es lassen sich jedoch einige wichtige Bedingungen für eine holographische Anzeigevorrichtung, die einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich erzeugt, mit geometrischer Optik formulieren und definieren, die hier kurz erwähnt werden sollen.

Von Bedeutung ist hierbei zum einen der Beleuchtungsstrahlengang in der Anzeigevorrichtung. Dieser dient unter anderem zur Erzeugung eines virtuellen

Sichtbarkeitsbereichs. Eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung wird mittels einer Beleuchtungseinrichtung, die wenigstens eine reelle oder virtuelle Lichtquelle aufweist, beleuchtet. Das Licht kommend von den unterschiedlichen Pixeln der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung muss dann jeweils in den virtuellen Sichtbarkeitsbereich gerichtet werden. Meist wird dazu die wenigstens eine Lichtquelle der

Beleuchtungseinrichtung, die die räumliche Lichtmodulationseinrichtung beleuchtet, in eine, den virtuellen Sichtbarkeitsbereich aufweisende Betrachterebene abgebildet. Diese Abbildung der Lichtquelle erfolgt beispielsweise in das Zentrum des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs. Bei Beleuchtung einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit einer ebenen Welle, die einer Lichtquelle im Unendlichen entspricht, wird dann zum Beispiel Licht von unterschiedlichen Pixeln der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, das senkrecht aus diesen Pixeln austritt, in die Mitte des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs fokussiert. Licht, das nicht senkrecht aber jeweils unter dem gleichen Beugungswinkel von verschiedenen Pixeln der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ausgeht, wird dann ebenfalls an eine jeweils gleiche Position im virtuellen Sichtbarkeitsbereich fokussiert. Im Allgemeinen kann der virtuelle Sichtbarkeitsbereich aber auch relativ zum Bild der wenigstens einen Lichtquelle seitlich verschoben sein, zum Beispiel kann die Position des Bildes der wenigstens einen Lichtquelle mit dem linken oder rechten Rand des Sichtbarkeitsbereichs zusammenfallen.

Zum anderen ist in der holographischen Anzeigevorrichtung, außer in einem Direktsicht- Display, der Abbildungsstrahlengang von Bedeutung. Beispielsweise wird in einem Head- Mounted-Display (HMD) in der Regel eine vergrößerte Abbildung einer in ihrer Ausdehnung kleinen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung erzeugt. Häufig ist dies ein virtuelles Bild, das der Betrachter in größerer Entfernung sieht als der Entfernung, in der sich die räumliche Lichtmodulationseinrichtung selbst befindet. Die einzelnen Pixel der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung werden meist vergrößert abgebildet.

Die erfindungsgemäßen Darlegungen sollen sich hauptsächlich auf den Fall beziehen, bei dem der virtuelle Sichtbarkeitsbereich, der ein virtuelles Betrachterfenster und einen Sweet- Spot beinhaltet, in der Ebene des Lichtquellenbildes vorliegt. Die gemachten Aussagen sind aber durch jeweilige Vertauschung von Abbildungsstrahlengang und Beleuchtungsstrahlengang oder Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und Fourierebene sinngemäß auch anwendbar auf Ausführungsformen einer holographischen Anzeigevorrichtung oder Displays mit einer Abbildung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in den virtuellen Sichtbarkeitsbereich. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf den Fall mit virtuellem Sichtbarkeitsbereich, d.h. virtuellem Betrachterfenster oder Sweet-Spot, in der Ebene des Lichtquellenbildes beschränkt sein.

Für eine Berechnung von Hologrammen oder Subhologrammen sind prinzipiell die Möglichkeiten der Verwendung einer Voll-Parallaxe-Kodierung oder einer Einzel-Parallaxe- Kodierung bekannt.

Im Fall einer holographischen Anzeigevorrichtung oder Displays, die einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich erzeugt, bedeutet eine Voll-Parallaxe-Kodierung, dass der virtuelle Sichtbarkeitsbereich eine horizontale Ausdehnung und eine vertikale Ausdehnung aufweist, wobei diese beiden Ausdehnungen kleiner gleich einer erzeugten Beugungsordnung in der jeweiligen Dimension sind. Die Größe der Beugungsordnung ergibt sich durch den jeweiligen horizontalen Pixelpitch oder den vertikalen Pixelpitch einer verwendeten räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die Wellenlänge des verwendeten Lichts und durch den Abstand zwischen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich. Der virtuelle Sichtbarkeitsbereich wird durch ein zweidimensionales virtuelles Betrachterfenster gebildet. Ein Subhologramm eines Objektpunktes einer dreidimensionalen (3D) Szene weist ebenfalls eine horizontale Ausdehnung und eine vertikale Ausdehnung von üblicherweise mehreren Pixeln auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung auf. Das Subhologramm fokussiert Licht sowohl in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung, so dass der Objektpunkt rekonstruiert wird. Der virtuelle Sichtbarkeitsbereich und das Subhologramm können dabei beide beispielsweise eine rechteckige Form aufweisen, im allgemeinen Fall aber auch andere Formen wie zum Beispiel eine runde oder auch hexagonale Form.

Im Vergleich dazu ist bei einer Einzel-Parallaxe-Kodierung eines Hologramms oder Subhologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung die Ausdehnung eines erzeugten virtuellen Betrachterfensters nur in einer Dimension bzw. Richtung, die im Folgenden als Kodierungsrichtung des Hologramms bzw. Subhologramms bezeichnet wird, durch die Ausdehnung einer Beugungsordnung begrenzt. Das Subhologramm nimmt dabei in der Regel einen Teil einer einzelnen Pixelzeile bei einer horizontalen Einzel-Parallaxe- Kodierung oder einen Teil einer einzelnen Pixelspalte bei einer vertikalen Einzel-Parallaxe- Kodierung auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ein, weist demnach nur in einer Dimension bzw. Richtung eine Ausdehnung von üblicherweise mehr als einem Pixel auf. Das Subhologramm entspricht in diesem Fall im Wesentlichen einer zylindrischen Linse, die das Licht in einer Richtung fokussiert.

Dieser Sachverhalt kann mit anderen Worten so dargelegt werden, dass bei einer Einzel- Parallaxe-Kodierung nur in einer Dimension bzw. Richtung, nämlich der Kodierungsrichtung des Hologramms, ein virtuelles Betrachterfenster vorliegt und in der anderen Dimension bzw. Richtung, d.h. senkrecht zur Kodierungsrichtung, ein optimaler Sichtbereich, der auch „Sweet-Spot“ genannt wird, ähnlich wie in einem Stereo-Display, vorliegt. Daher wird in diesem Dokument auch der Begriff „Sweet-Spot-Richtung“ verwendet, wenn nicht von der Kodierungsrichtung des Hologramms die Rede ist. Das virtuelle Betrachterfenster und der Sweet-Spot bilden dann zusammen einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich in einer Betrachterebene, in der sich ein Betrachter zum Beobachten der erzeugten Szene befindet. Diese Bezeichnung und Bedeutung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs wird in den folgenden erfindungsgemäßen Offenbarungen weiterhin verwendet.

Eine Voll-Parallaxe-Kodierung eines Hologramms oder Subhologramms erfordert in allen Richtungen bzw. Raumrichtungen gleichermaßen hinreichend kohärentes Licht, das von einer Lichtquelle ausgesandt werden muss. Eine Einzel-Parallaxe-Kodierung erfordert im Gegensatz dazu nur wenigstens in Kodierungsrichtung des Hologramms hinreichend kohärentes Licht. In Sweet-Spot-Richtung, der Nicht-Kodierungsrichtung des Hologramms, kann die Kohärenz des Lichts geringer sein als in Kodierungsrichtung des Hologramms.

Die Kohärenz des Lichts kann beispielsweise durch das Winkelspektrum der Beleuchtung einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung eingestellt werden. Eine unterschiedliche Kohärenz des Lichts in Kodierungsrichtung des Hologramms und in Sweet-Spot-Richtung kann beispielsweise durch Verwendung einer schlitzförmigen Lichtquelle eingestellt werden. In der schmalen Richtung der schlitzförmigen Lichtquelle ergibt sich ein anderes Winkelspektrum und eine andere Kohärenz des Lichts als in der langen Richtung der schlitzförmigen Lichtquelle.

Eine unterschiedliche Kohärenz des Lichts in Kodierungsrichtung und in Sweet-Spot- Richtung kann beispielsweise auch eingestellt werden durch einen Streuer, der beispielsweise zwischen einer Lichtquelle und dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich, wahlweise in Lichtausbreitungsrichtung vor oder nach der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung angeordnet ist, und der eine unterschiedliche Streucharakteristik in Kodierungsrichtung des Hologramms und in Sweet-Spot-Richtung aufweist, insbesondere einen sehr kleinen Streuwinkel in Kodierungsrichtung und einen großen Streuwinkel in Sweet-Spot-Richtung. Ein derartiger Steuer wird auch als eindimensionaler (1 D) Streuer bezeichnet. Es existieren beispielsweise als Produkt Streuer mit einem Streuwinkel von 40° in einer Richtung und 1 ° in einer dazu senkrechten Richtung.

Wahlweise kann jedoch auch bei einer Einzel-Parallaxe-Kodierung eine Beleuchtung verwendet werden, die gleichermaßen kohärent in Kodierungsrichtung des Hologramms wie in Sweet-Spot-Richtung ist, wobei in Kodierungsrichtung die Ausdehnung des virtuellen Betrachterfensters maximal eine Beugungsordnung beträgt und in Sweet-Spot-Richtung die Ausdehnung des Sweet-Spots mehrere Beugungsordnungen betragen kann.

Allgemein bekannt sind horizontale Einzel-Parallaxe-Kodierungen oder vertikale Einzel- Parallaxe-Kodierungen. Ein üblicher Einsatz einer Einzel-Parallaxe-Kodierung kann in Kombination mit rechteckig geformten Pixeln einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und/oder mit räumlichen Farb-Multiplex und/oder räumlichem Multiplex von linkem/rechtem Auge auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit streifenförmig angeordneten Farbfiltern stattfinden. Die Größe eines virtuellen Betrachterfensters ist proportional zum Kehrwert des Pixelpitch. Daher würde sich bei einem Display ohne Farbfilter aber mit rechteckigen Pixeln nachteilig in der langen Richtung des Pixels, somit in der Richtung des größeren Pitches, ein kleineres virtuelles Betrachterfenster ergeben als in der kurzen Richtung des Pixels, somit der Richtung des kleineren Pitches. Daher wird bei einer Einzel- Parallaxe-Kodierung bei rechteckig geformten Pixeln in einem Display ohne Farbfilter üblicherweise die Richtung des kleineren Pixel-Pitches als Kodierungsrichtung eines Hologramms verwendet.

In einem Display mit räumlichem Farbmultiplex können Hologramme für unterschiedliche Farben (üblicherweise Rot, Grün, Blau) verschachtelt eingeschrieben werden. Bei der Beleuchtung mit einer Lichtquelle einer Farbe, zum Beispiel mit rotem Laserlicht, blockieren die Farbfilter der anderen Farben (zum Beispiel Grün und Blau) das Licht. Für diese Lichtquelle wirken die anderen Farbfilter ähnlich wie schwarze Bereiche, die Licht blockieren. Das Farb-Pixel wirkt also für das Licht einer Farbe wie ein Pixel mit einer kleineren Apertur in Richtung senkrecht zu den Farbfilterstreifen. Nachteilig für ein virtuelles Betrachterfenster würde die kleinere Apertur in dieser Richtung zu mehr Licht in höheren Beugungsordnungen führen. Der Pitch senkrecht zu den Farbfilterstreifen, der die Größe des virtuellen Betrachterfensters bestimmt, ist in diesem Fall der Pitch zum nächsten Pixel mit dem gleichen Farbfilter.

Beispielsweise würde die Richtung parallel zu den Farbfilterstreifen als Kodierungsrichtung des Hologramms verwendet, weil in dieser Richtung üblicherweise eine größere Pixelapertur vorliegt und mehr Licht in der gewünschten Beugungsordnung vorliegt. In Richtung senkrecht zu den Farbfilterstreifen kann umgekehrt vorteilhaft genutzt werden, dass die kleinere Pixelapertur zu mehr Licht in den höheren Beugungsordnungen führt, weil für den Sweet-Spot auch mehrere Beugungsordnungen verwendet werden können. Es kann eventuell auf ein zusätzliches Streuelement zur Erzeugung des Sweet-Spots verzichtet werden.

Ähnliches gilt für räumlichen Multiplex von linkem und rechtem Auge eines Betrachters. Hier wäre senkrecht zu den Multiplex-Streifen für die beiden Augen des Betrachters der Pixel- Pitch zum nächsten Pixel für das gleiche Auge und gegebenenfalls für die gleiche Farbe bestimmend für die Größe des virtuellen Betrachterfensters. Die Multiplex-Streifen wirken wieder effektiv wie eine kleinere Apertur in Richtung senkrecht zu den Streifen. Die Kodierungsrichtung würde üblicherweise parallel zu den Multiplex-Streifen gewählt.

Die Beispiele zeigen, dass üblicherweise die Einzel-Parallaxe-Kodierung in Kombination mit bestimmten Parametern eines räumlichen Lichtmodulators oder einer Färb- oder räumlichen Multiplex-Anordnung fest gewählt wird.

Holographische Anzeigevorrichtungen bzw. Displays unter Verwendung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs erfordern in der Regel eine Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs bei einer Veränderung bzw. Bewegung der Augenposition eines Betrachters.

Üblicherweise erfolgt eine Detektion der Augenposition mit einem Detektionssystem (Eye- Finder). Ferner können optische Elemente, zum Beispiel Beugungselemente zur Lichtablenkung, wie beispielsweise in der WO 2010/149587 A2 offenbart, verwendet werden, um den virtuellen Sichtbarkeitsbereich an eine neue detektierte Augenposition zu verschieben bzw. nachzuführen.

Offenbart sind im Stand der Technik bereits Lösungen zur Kombination von einer Grob- Nachführung und einer Fein-Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue Position eines Auges eines Betrachters nach einer Bewegung des Auges. Dabei wird eine Kombination verschiedener optischer Elemente verwendet, von denen ein optisches Element den virtuellen Sichtbarkeitsbereich über einen großen Winkelbereich in groben bzw. großen Schritten einer neuen detektierten Augenposition nachführt, was als Grob-Nachführung oder auch Grob-Tracking bezeichnet wird. Ein zweites optisches Element führt jedoch den virtuellen Sichtbarkeitsbereich über einen kleinen Winkelbereich in feinen bzw. kleinen Schritten der neuen detektierten Augenposition nach, was als Fein-Nachführung bzw. Fein- Tracking bezeichnet wird. Die Verwendung zweier unterschiedlicher herkömmlicher optischer Elemente zur Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine andere Position in einer Betrachterebene kann jedoch in gewissem Maße aufwendig sein.

Bestimmte Typen von holographischen Anzeigevorrichtungen bzw. Displays, beispielsweise ein holographisches Head-Mounted Display (HMD), benötigen nur einen kleinen Bereich der Augennachführung. Ein HMD kann beispielsweise ähnlich einer Brille fest am Kopf eines Betrachters befestigt sein, so dass bei Kopfbewegungen die gesamte Einrichtung mitbewegt wird. In diesem Fall ist keine gesonderte Nachführung oder insbesondere keine Grob- Nachführung erforderlich. Eine Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs ist nur dann erforderlich, wenn sich die Position der Augenpupille des Betrachters innerhalb des Auges wesentlich verändert oder bewegt bzw. sich ansonsten aus dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich herausbewegen würde. Auch hier wäre die Verwendung herkömmlicher optischer Elemente zur Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs eher aufwendig, da sie unter anderem das Gesamtvolumen und das Gewicht eines HMD vergrößern würden, was bei einem am Kopf eines Betrachters befestigten Gerätes besonders nachteilig wäre. Außerdem könnte dies die Lichteffizienz und den Energieverbrauch nachteilig beeinflussen, was bei einem mobilen, üblicherweise mittels Akku betriebenen Gerätes ebenfalls besonders nachteilig wäre. Beispielsweise beschreibt die WO 2018/037077 A2 Möglichkeiten ein virtuelles Betrachterfenster mittels Kodierung durch Prismenfunktionen zur Fein-Nachführung über einen kleinen Bereich zu verschieben. Wegen der im Allgemeinen zu höheren Beugungsordnungen hin abfallenden Intensität einer Rekonstruktion kann dies aber nur über wenige Beugungsordnungen erfolgen. Je kleiner eine Beugungsordnung ist, desto kleiner ist insbesondere auch der Bereich möglicher Verschiebung durch Kodierung von Primsenfunktionen.

Prinzipiell ist es möglich, den virtuellen Sichtbarkeitsbereich auch so zu wählen, dass seine Ausdehnung kleiner als die Ausdehnung einer Augenpupille eines Betrachters ist. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem auch durch Wahl von Pixel-Pitch einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, eines Betrachterabstands und einer Wellenlänge des Lichts Beugungsordnungen erzeugt werden, die kleiner sind als die Ausdehnung einer Augenpupille des Betrachters, und indem eine Filteranordnung verwendet wird, die andere Beugungsordnungen herausfiltert, so dass nur eine einzelne Beugungsordnung in die Pupille des Betrachters fallen kann.

Weist der virtuelle Sichtbarkeitsbereich beispielsweise eine Größe von ca. 1 mm auf, weil eine Beugungsordnung nur ca. 1 mm groß ist, so ist auch der mögliche Bereich einer Verschiebung innerhalb weniger Beugungsordnungen durch Kodierung von z.B. Prismenfunktionen auf etwas kleiner als ca. ± 1 mm bis 2 mm beschränkt. Dies würde beispielsweise in einem Head-Mounted-Display nicht ausreichen, um den Bereich möglicher Pupillenbewegungen innerhalb eines Auges abzudecken.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anzeigevorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, mit einfachen Mitteln eine Fein-Nachführung bzw. eine Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs in einem kleinen Bereich zu realisieren.

Insbesondere soll eine Lösung für eine Nah-am-Auge-befindliche holographische Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise ein holographisches Head-Mounted-Display, geschaffen werden, das einen kleinen virtuellen Sichtbarkeitsbereich erzeugt, insbesondere einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich von kleiner als die Augenpupille eines Betrachters, um eine Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs bei Bewegung der Augenpupille innerhalb des Auges zu realisieren.

Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren für eine Fein- Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs zu schaffen.

Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird eine Anzeigevorrichtung geschaffen, die sich besonders für den Einsatz als Near-to-Eye-Display und hier insbesondere als Head-Mounted-Display, eignet, jedoch der Einsatz nicht auf diese Displays bzw. Anzeigevorrichtungen beschränkt sein soll. Die Anzeigevorrichtung könnte beispielsweise auch als zukünftiges Head-Up-Display eingesetzt werden, das ein großes Sichtfeld aufweist als bisher marktübliche Head-Up- Displays, oder auch als Direktsicht-Display, in dem eine Grob-Nachführung wie auch eine Fein-Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs vorgenommen werden kann.

Die vorliegende Erfindung soll sich jedoch nur auf eine Fein-Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs beziehen und dafür eine Lösung bieten. Unter einer Fein-Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs soll erfindungsgemäß eine Nachführung verstanden werden, die sich auf einen kleinen Bereich von wenigen Millimetern erstreckt, beispielsweise einen Bereich von bis zu ca. 25 mm jeweils in horizontaler und/oder vertikaler Richtung.

Eine derartige erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Objekten oder Szenen, die insbesondere als holographische Anzeigevorrichtung ausgebildet ist, weist wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht, wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung zum Modulieren von auftreffendem Licht, wenigstens ein optisches System und eine Nachführeinrichtung auf. In die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung ist mittels einer Einzel-Parallaxe-Kodierung ein Hologramm kodiert. Das wenigstens eine optische System ist zur Erzeugung wenigstens eines virtuellen Sichtbarkeitsbereich am Ort eines Auges eines Betrachters vorgesehen. Mittels der Nachführeinrichtung ist die Kodierungsrichtung des Hologramms für darzustellende Objektpunkte der Szene auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung veränderbar. Die Nachführeinrichtung kann dabei insbesondere zum Fein-Nachführen des wenigstens einen virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine geänderte Position des Auges des Betrachters vorgesehen sein.

Das Hologramm stellt dabei die Summe aller Subhologramme dar, wobei jedem darzustellenden Objektpunkt der Szene ein Subhologramm zugeordnet ist. Eine Änderung der Kodierungsrichtung des Hologramms bedeutet, dass sich auch für jedes einzelne Subhologramm die Kodierungsrichtung ändert.

Durch die Änderung der Kodierungsrichtung des Hologramms auf der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kann besonders vorteilhaft der wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich an eine andere Position entsprechend der neuen Position einer Augenpupille eines Betrachters bewegt werden. Das Hologramm wird mittels einer Einzel- Parallaxe-Kodierung in die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung kodiert, d.h. es ist dann aus eindimensionalen Subhologrammen aufsummiert. Durch eine Drehung der eindimensionalen Subhologramme in verschiedene Richtungen ausgehend von ihren ursprünglichen Mittelpunkten auf der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung können somit unterschiedliche Kodierungsrichtungen des Hologramms erzielt werden. Das bedeutet, die Kodierungsrichtung des Hologramms wird zur Fein-Nachführung geändert und durch die Drehung des Hologramms kann somit auch der wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich bewegt, d.h. gedreht, werden, so dass der wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich der Augenpupille bei Bewegung entsprechend nachgeführt wird bzw. sich immer mit dieser überdecken kann, so dass der Betrachter der Szene diese immer mit entsprechend hoher Auflösung betrachten kann.

Eine Änderung der Kodierungsrichtung eines Hologramms auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bedeutet somit, dass die Hologrammberechnung angepasst wird, so dass Subhologramme beispielsweise wahlweise in einem Teil einer Pixelzeile oder in einem Teil einer Pixelspalte oder auch entlang diagonal angeordneten Pixeln der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kodiert werden können und dann zu einem Hologramm aufsummiert werden. Für die gleiche dargestellte vorzugsweise dreidimensionale Szene ändert sich folglich die Hologrammberechnung je nach gewählter Kodierungsrichtung des Hologramms.

Diese erfindungsgemäße Nachführmöglichkeit ist insbesondere für eine Fein-Nachführung des wenigstens einen virtuellen Sichtbarkeitsbereichs geeignet, d.h. für nur kleine Bewegungen der Pupille des Auges oder des Auges direkt, wie sie z.B. bei dem Einsatz eines Head-Mounted-Displays vorliegen können. Für Bewegungen, bei der sich der Betrachter selbst auch an eine andere Position bewegt, beispielsweise in Verbindung mit Direktsicht-Anzeigevorrichtungen, wird eine derartig große Nachführung des wenigstens einen virtuellen Sichtbarkeitsbereichs erst durch eine Grob-Nachführung realisiert, wobei danach zur exakten Positionierung des wenigstens einen virtuellen Sichtbarkeitsbereichs zum Augenbereich die erfindungsgemäße Fein-Nachführung verwendet werden kann.

Beispielsweise würde eine Grobnachführung die Position eines virtuellen

Sichtbarkeitsbereichs in Schrittweiten von ca. 25 mm horizontal und vertikal verändern. Eine Fein-Nachführung hingegen würde innerhalb eines Bereiches von ca. 25 mm horizontal x 25 mm vertikal verwendet werden. Die Erfindung soll aber nicht auf dieses Zahlenbeispiel beschränkt sein.

Auf diese Weise kann eine Nachführeinrichtung geschaffen werden, die weniger aufwendig ist als zum Beispiel eine Beugungseinrichtung gemäß der WO 2010/149587 A2. Somit kann ein Head-Mounted-Display in seinem Aufbau kompakter und kostengünstiger ausgestaltet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Vorteilhafterweise kann der wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich aus einem virtuellen Betrachterfenster und einem Sweet-Spot gebildet sein, wobei das virtuelle Betrachterfenster in Kodierungsrichtung des Hologramms und der Sweet-Spot in Nicht- Kodierungsrichtung des Hologramms vorgesehen ist.

Bei einer Einzel-Parallaxe-Kodierung wird der wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich durch ein virtuelles Betrachterfenster, das in Kodierungsrichtung des Hologramms erzeugt wird, und durch einen Sweet-Spot, der in Nicht-Kodierungsrichtung, d.h. in Sweet-Spot- Richtung, erzeugt wird, gebildet. In Sweet-Spot-Richtung wird das Licht über einen ausgedehnten Sweet-Spot verteilt, der schmaler ist als der Augenabstand eines Betrachters. Zudem ist die Ausdehnung des Sweet-Spots größer als die Ausdehnung des virtuellen Betrachterfensters in Kodierungsrichtung.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kodierungsrichtung des Hologramms zwischen wenigstens zwei Richtungen veränderbar ist.

Vorzugsweise können vier mögliche Kodierungsrichtungen, wie beispielsweise horizontal, vertikal, diagonal +45 Grad oder diagonal 135 Grad, gesehen relativ zu den Pixelzeilen bzw. Pixelspalten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, in die das Hologramm kodiert wird, verwendet werden, um den wenigstens einen virtuellen Sichtbarkeitsbereich an eine neue Position des Auges oder der Pupille des Auges anzupassen bzw. nachzuführen. Die Erfindung soll jedoch nicht auf diese vier erwähnten Kodierungsrichtungen eines Hologramms beschränkt sein. Es sind selbstverständlich auch zu diesen vier Kodierungsrichtungen weitere, unterschiedliche Kodierungsrichtungen möglich, wie z.B. diagonal 30 Grad. Zudem soll die Erfindung auch nicht auf rechteckig geformte Pixel der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung beschränkt sein, die zellenförmig und spaltenförmig angeordnet sein können. Beispielsweise könnten Pixel auch hexagonal geformt sein und es könnten sechs verschiedene Kodierungsrichtungen parallel zu den Seiten des Hexagons gebildet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Positionsdetektionssystem vorgesehen ist, mit dem die Position eines Auges, insbesondere einer Augenpupille, eines Betrachters der Szene ermittelbar ist. Wahlweise kann zusätzlich die Größe der Augenpupille detektiert werden.

Um eine geeignete Kodierungsrichtung eines Hologramms auf der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zu ermitteln, wird eine Augenposition eines Betrachters mit einem Positionsdetektionssystem detektiert . Anhand der detektierten Augenposition kann entschieden werden, welche Richtung die Kodierungsrichtung des zu kodierenden Hologramms sein sollte, damit der erzeugte wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich auch mit dem Auge des Betrachters zusammenfällt. Dazu kann für die jeweilige Augenposition des Betrachters aus verschiedenen Kodierungsrichtungen, wie z.B. horizontal, vertikal, diagonal, wobei weitere Richtungen nicht ausgeschlossen sein sollen, diejenige Kodierungsrichtung ausgewählt werden, bei der sich der wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich am besten bzw. am geeignetsten mit dem Auge bzw. der Augenpupille überlagert.

Verwendet werden kann in einer bevorzugten Ausgestaltung eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung, die einen ähnlichen oder gleichen Pixelpitch in horizontaler Richtung und in vertikaler Richtung aufweist. Werden zur Darstellung komplexer Werte von Objektpunkten einer Szene Makropixel verwendet, die aus mehreren Pixeln der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zusammengesetzt sind, so kann in einer bevorzugten Ausgestaltung die räumliche Lichtmodulationseinrichtung einen gleichen Makro-Pixelpitch in horizontaler Richtung und in vertikaler Richtung aufweisen.

Es kann wahlweise sowohl die Größe bzw. Ausdehnung des virtuellen Betrachterfensters als auch die Größe bzw. Ausdehnung des Sweet-Spots in einer Betrachterebene, in der sich ein Betrachter befindet, mit der eingestellten Kodierungsrichtung eines Hologramms auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung variieren. In der oben genannten Ausgestaltung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, bei der der Pixelpitch in horizontaler Richtung und in vertikaler Richtung gleich oder zumindest ähnlich ist, führt eine diagonale Kodierungsrichtung eines Hologramms, zum Beispiel bei Verwendung von quadratischen Pixeln, dazu, dass der Pixelpitch in diagonaler Richtung um einen Faktor 2 (Wurzel 2) größer ist als der Pixelpitch in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung und damit die Ausdehnung einer erzeugten Beugungsordnung in der Betrachterebene sich in der diagonalen Richtung ebenfalls von derjenigen Beugungsordnung in der horizontalen Richtung oder in der vertikalen Richtung unterscheidet. Dann kann es zweckmäßig sein, auch das diagonal erzeugte virtuelle Betrachterfenster unterschiedlich groß im Vergleich zum horizontal oder vertikal erzeugten virtuellen Betrachterfenster zu wählen. Bei einem Sweet- Spot in der Betrachterebene ergeben sich beispielsweise durch die Ausdehnung des Nachführbereichs unterschiedliche Anforderungen an die Größe. Soll zum Beispiel der horizontale Nachführbereich für die Fein-Nachführung oder auch insgesamt gesehen bei einem Head-Mounted-Display größer sein als der vertikale Nachführbereich, so kann zweckmäßigerweise auch der horizontale Sweet-Spot in seiner Ausdehnung größer gewählt werden als der vertikale Sweet-Spot. Die Größe eines Sweet-Spots kann beispielsweise durch die Anzahl von genutzten Beugungsordnungen oder durch den Streuwinkel eines Streuelements eingestellt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Nachführeinrichtung wenigstens ein steuerbares optisches Element aufweist, das zwischen der wenigstens einen Beleuchtungseinrichtung und einer Betrachterebene, in der sich ein Betrachter der Szene befindet, angeordnet ist.

Für eine Änderung der Kodierungsrichtung eines Hologramms kann die Nachführeinrichtung wenigstens ein steuerbares oder schaltbares optisches Element im Strahlengang zwischen der wenigstens einen Beleuchtungseinrichtung, die wenigstens eine Lichtquelle aufweisen kann, und der Betrachterebene aufweisen, um einen Sweet-Spot bzw. ein virtuelles Betrachterfenster in einer geänderten Richtung zu erzeugen. Das wenigstens eine steuerbare optische Element kann in Lichtausbreitungsrichtung vor oder nach der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung angeordnet sein. Das wenigstens eine steuerbare optische Element kann als Streuelement ausgebildet sein, das in nur einer Richtung auftreffendes Licht streut. Auf diese Weise kann in dieser definierten Richtung bzw. Streurichtung ein Sweet-Spot erzeugt werden.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das wenigstens eine steuerbare optische Element der Nachführeinrichtung als Polarisationsumschalter ausgebildet sein, wobei die Nachführeinrichtung wenigstens ein passives Ablenkgitterelement, vorzugsweise ein Polarisationsgitterelement, und wenigstens zwei passive Streuelemente aufweist, die in nur einer Richtung auftreffendes Licht streuen, wobei das passive Ablenkgitterelement und die wenigstens zwei passiven Streuelemente in Kombination mit dem Polarisationsumschalter wirken.

Das wenigstens eine steuerbare optische Element kann als ein Polarisationsumschalter ausgeführt sein, zum Beispiel eine nicht pixelierte Flüssigkristallzelle bzw. Flüssigkristallschicht, der in Kombination mit wenigstens zwei passiven Streuelementen funktioniert bzw. agiert oder wirkt. Durch ein Ablenkgitterelement, dessen Ablenkwinkel polarisationsselektiv steuerbar ist, beispielsweise ein Polarisationsgitterelement, und dem Polarisationsumschalter, der durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist und je nach Schaltzustand einen Polarisationszustand des Lichts erzeugt und damit einen Ablenkwinkel im Ablenkgitterelement auswählt, kann eines der Streuelemente ausgewählt werden, um das auftreffende Licht entsprechend zu streuen. Der Polarisationsumschalter kann in Lichtausbreitungsrichtung vor diesem Ablenkgitterelement in der Anzeigevorrichtung angeordnet sein. Die Streuelemente erzeugen dann jeweils in Streurichtung einen Sweet- Spot in der Betrachterebene. Zudem sind hierfür eindimensional ausgeführte Streuelemente vorgesehen.

Die wenigstens zwei passiven Streuelemente können als Volumengitter ausgebildet sein, wobei die wenigstens zwei passiven Streuelemente eine unterschiedliche Winkelselektivität aufweisen.

Die wenigstens zwei passiven Streuelemente können beispielsweise nach Art eines Volumengitters ausgebildet sein, das eine bestimmte Winkelselektivität aufweist und daher nur Licht, das unter einem bestimmten Winkelbereich einfällt, effektiv streut. Somit können beispielsweise unterschiedliche Winkelselektivitäten für die einzelnen Streuelemente eingestellt werden. Dabei unterscheidet sich für jedes passive Streuelement die Richtung des auftreffenden Lichts, für die es effizient streut, von dem/den anderen passiven Streuelement(en). Beispielsweise könnten genau zwei passive Streuelemente vorgesehen sein, wobei ein Streuelement davon das Licht, das unter +30 Grad einfällt, effizient streut, während das andere Streuelement das Licht, das unter -30 Grad einfällt, effizient streut.

In der zuvor erwähnten Ausgestaltung können die wenigstens zwei passiven Streuelemente wahlweise auch unterschiedliche Streucharakteristiken aufweisen, beispielsweise unterschiedliche Streuwinkel erzeugen. Hierdurch kann dann auch die Größe eines Sweet- Spots für die einzelnen Kodierungsrichtungen eines Hologramms unterschiedlich eingestellt werden.

In einer dazu alternativen Ausgestaltung kann die Nachführeinrichtung wenigstens ein steuerbares optisches Element aufweisen, das als Polarisationsumschalter ausgebildet ist, wobei die Nachführeinrichtung wenigstens ein Umlenkelement, vorzugsweise ein Polarisationsstrahlteilerelement, und wenigstens zwei passive Streuelemente aufweist, die in nur jeweils einer Richtung auftreffendes Licht streuen, wobei mittels des steuerbaren optischen Elements und des Umlenkelements einer von wenigstens zwei unterschiedlichen Lichtpfaden auswählbar ist und jeweils ein Streuelement in jedem der unterschiedlichen Lichtpfade vorgesehen ist. Mit anderen Worten, die wenigstens zwei passiven Streuelemente sind in unterschiedlichen Pfaden im Lichtweg angeordnet und mit Hilfe des Umlenkelements in Kombination mit dem Polarisationsumschalter kann einer dieser Lichtpfade und damit eines der Streuelemente ausgewählt werden. Mit einem Polarisationsumschalter wird beispielsweise die Polarisation des auf ein Polarisationsstrahlteilerelement auftreffenden Lichts eingestellt. Je nach Polarisationszustand tritt das Licht gerade oder unter 90 Grad abgelenkt aus dem Polarisationsstrahlteilerelement aus. Ein vertikal streuendes Streuelement ist beispielsweise nahe einem Ausgang des Polarisationsstrahlteilerelements angeordnet, ein horizontal streunendes Streuelement nahe einem anderen Ausgang des Polarisationsstrahlteilerelements. Je nach, mittels des Polarisationsumschalters eingestellter Polarisation erreicht das Licht entweder das eine Streuelement oder das andere Streuelement. Im weiteren Verlauf können durch einen Kombinierer, beispielsweise einen weiteren Strahlteilerwürfel, die Lichtpfade wieder zusammengeführt werden, so dass das Licht von beiden Streuelementen weiter zur Betrachterebene gerichtet wird.

Die Streuelemente erzeugen dann jeweils in Streurichtung einen Sweet-Spot in der Betrachterebene. Auch hier sind eindimensional ausgeführte Streuelemente vorgesehen. Auch hier können wahlweise Streuelemente mit unterschiedlichen Streuwinkeln verwendet werden, um beispielsweise für unterschiedliche Streurichtungen des Lichts einen verschieden großen Sweet-Spot zu erzeugen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Nachführeinrichtung ein passives Streuelement aufweist, das rotierend ausgebildet ist.

Die Nachführeinrichtung könnte auch nur ein einzelnes passives Streuelement aufweisen, das eindimensional und mechanisch rotierend ausgeführt ist, um die Streurichtung des auftreffenden Lichts zu verändern. Das bedeutet, dieses passive Streuelement würde für eine Änderung oder einen Umschaltprozess von einer Kodierungsrichtung eines Hologramms zu einer anderen Kodierungsrichtung des Hologramms von einer Startposition in eine Endposition rotiert. Wenn diese Endposition erreicht ist, bleibt während der Anzeige eines Hologramms auf dem SLM das passive Streuelement in dieser Endposition.

Vorteilhaft lassen sich dabei mit einem einzelnen passiven Streuelement mehrere Kodierungsrichtungen, zum Beispiel vier verschiedene Kodierungsrichtungen, einstellen, die verschiedenen Rotationswinkeln, zum Beispiel vier verschiedenen Rotationswinkeln, des passiven Streuelements entsprechen.

In dieser Ausgestaltung sind allerdings der Streuwinkel und damit die Größe des Sweet- Spots für alle Kodierungsrichtungen gleich.

Ferner kann auf vorteilhafte Weise vorgesehen sein, dass die Nachführeinrichtung wenigstens zwei steuerbare optische Elemente aufweist.

Zur Veränderung der Kodierungsrichtung eines Hologramms können auch wenigstens zwei steuerbare optische Elemente verwendet werden. Diese wenigstens zwei steuerbaren optischen Elemente können als Streuelemente ausgebildet sein, die jeweils in nur einer Richtung auftreffendes Licht streuen und zwar in einer jeweils unterschiedlichen Richtung. Ein erstes Streuelement könnte zum Beispiel in einer Richtung von ca. 20° vertikal x 1 ° horizontal streuen. Ein zweites Streuelement könnte dann in einer Richtung von ca. 1 ° vertikal x 20° horizontal streuen. Durch ein Ansteuern bzw. ein Umschalten zwischen dem einen Streuelement und dem anderen Streuelement kann somit die Kodierungsrichtung des Hologramms auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung um 90° gedreht werden, wobei senkrecht zur Kodierungsrichtung des Hologramms ein entsprechend großer Sweet-Spot erzeugt werden kann.

Mit anderen Worten, ein erstes steuerbares optisches Element kann vorteilhaft auftreffendes Licht in einer vorgegebenen ersten Richtung streuen, wobei ein zweites steuerbares optisches Element auftreffendes Licht in einer vorgegebenen zweiten Richtung streuen kann, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung dabei verschieden sind. Auf vorteilhafte Weise kann somit durch entsprechendes Ansteuern des ersten steuerbaren optischen Elements und des zweiten steuerbaren optischen Elements die Kodierungsrichtung des Hologramms bzw. Subhologramms bestimmbar sein. Von wenigstens zwei steuerbaren optischen Elementen wäre somit jeweils eines eingeschaltet oder angesteuert, um Licht in eine gewünschte Richtung zu streuen, wobei das oder die anderen steuerbaren optischen Elemente ausgeschaltet oder nicht angesteuert wären, so dass sie kein Licht streuen. Wiederum könnten die steuerbaren optischen Elemente derart ausgebildet sein, dass sie wahlweise auch verschieden große Streuwinkel erzeugen, um beispielsweise die Größe des Sweet-Spots je nach Kodierungsrichtung eines Hologramms unterschiedlich einzustellen.

Ferner kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine steuerbare optische Element zwei Substrate aufweist, zwischen denen eine Flüssigkristallschicht eingebettet ist. Wenigstens ein Substrat von diesen zwei Substraten des wenigstens einen steuerbaren optischen Elements kann vorzugsweise eine Oberflächenstruktur aufweisen.

Zwei Substrate werden zur Herstellung eines steuerbaren optischen Elements zusammengefügt, wobei ein Zwischenraum zwischen den beiden Substraten mit einer Flüssigkristallschicht gefüllt wird. Bevorzugt weist nur ein Substrat des steuerbaren optischen Elements eine Oberflächenstruktur auf, wobei das andere Substrat flach ausgebildet sein kann. Die Oberflächenstruktur des wenigstens einen Substrats kann insbesondere eine eindimensionale statistische Oberflächenstruktur sein, die beispielsweise in eine Polymerschicht, die Teil des Substrats ist, eingeprägt sein kann. „Statistische Oberflächenstruktur“ bedeutet in diesen Fall, dass das Oberflächenprofil kein regelmäßiges sich wiederholendes Muster aufweist, sondern innerhalb vorgegebener Grenzen zufällige Schwankungen aufweist, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Durch die Wahl der Oberflächenstruktur, d.h. deren Breite, deren Höhe und eine statistische Verteilung, kann eine Streucharakteristik des steuerbaren optischen Elements vorgegeben werden. Die Oberflächenstruktur kann beispielsweise ähnlich wie ein Oberflächenreliefgitter (surface relief grating) oder ein Blaze-Gitter (blazed grating) ausgebildet sein, wobei jedoch im Gegensatz zu herkömmlichen Gitterelementen die Gitterperiode und/oder der Blaze-Winkel mit der Position auf dem Substrat zufällig variiert werden können, so dass keine regelmäßigen Beugungsordnungen entstehen, sondern stattdessen Licht über einen vorgegebenen Winkelbereich gestreut wird. Mit anderen Worten, die Oberflächenstruktur kann eine Gitterperiode aufweisen, die mit der Position auf dem Substrat zufällig variiert.

Der Lichtstreuwinkel kann dann beispielsweise eingestellt werden, indem eine minimale und eine maximale Gitterperiode vorgegeben werden, sowie ebenfalls die Häufigkeit verschiedener Gitterperioden und/oder der Bereich und die Verteilung von Blaze-Winkeln vorgegeben werden. Mit diesen Vorgaben kann beispielsweise mit Hilfe eines Zufallszahlengenerators per Computer ein Oberflächenprofil berechnet und dann ein Master für die Oberflächenstruktur lithographisch hergestellt werden. Von diesem Master können in der Folge Abformungen erstellt werden. Allgemein kann es sich bei der Oberflächenstruktur auch um ein unregelmäßiges Höhenprofil handeln, dessen Breite und Höhe zufällig mit der Position auf wenigstens einem Substrat des steuerbaren optischen Elements variiert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Substrate des wenigstens einen steuerbaren optischen Elements jeweils eine Elektrodenanordnung aufweisen, wobei die jeweilige Elektrodenanordnung wenigstens eine Elektrode aufweist. Die wenigstens eine Elektrode kann beispielsweise flächig, d.h. nicht pixeliert, ausgebildet sein.

Vorteilhafterweise kann das, dem Substrat mit der Oberflächenstruktur gegenüberliegende Substrat zur Ausrichtung von Flüssigkristallen in der Flüssigkristallschicht vorgesehen sein. Dieses Substrat des wenigstens einen steuerbaren optischen Elements kann flach bzw. eben ausgebildet sein und kann für eine Ausrichtung der Flüssigkristalle in der Flüssigkristallschicht verwendet werden. Dies kann beispielsweise durch Rubbing oder Photoalignment erfolgen.

Zudem kann das Flüssigkristallmaterial der Flüssigkristallschicht einen ersten Brechungsindex und einen zweiten Brechungsindex aufweisen, wobei der erste Brechungsindex im Wesentlichen dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur entspricht, wobei der zweite Brechungsindex im Wesentlichen verschieden zu dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur ist. Das doppelbrechende Flüssigkristallmaterial der Flüssigkristallschicht kann einen ersten Brechungsindex aufweisen, beispielsweise den ordentlichen Brechungsindex, der mit dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur im Wesentlichen identisch ist. Beispielsweise sind der ordentliche Brechungsindex bzw. der erste Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials und der Brechungsindex der Oberflächenstruktur des wenigstens einen steuerbaren optischen Elements beide n = 1 ,5. Das doppelbrechende Flüssigkristallmaterial kann zudem einen zweiten Brechungsindex aufweisen, beispielsweise den außerordentlichen Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur des wenigstens einen steuerbaren optischen Elements unterscheidet. Beispielsweise ist der außerordentliche Brechungsindex bzw. der zweite Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials n = 1 ,7, wobei der Brechungsindex der Oberflächenstruktur n = 1 ,5 ist.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass bei Vorhandensein von mehreren steuerbaren optischen Elementen, bei denen wenigstens ein Substrat eine eindimensionale Oberflächenstruktur aufweist, im Strahlengang diese steuerbaren optischen Elemente derart im Strahlengang angeordnet sind, dass die auf wenigstens einem Substrat vorgesehenen eindimensionalen Oberflächenstrukturen der einzelnen steuerbaren optischen Elemente jeweils eine unterschiedliche Ausrichtung zueinander aufweisen.

Bei der Verwendung von mehreren steuerbaren optischen Elementen im Strahlengang, d.h. wenigstens zwei steuerbare optische Elemente, können diese steuerbaren optischen Elemente so zueinander angeordnet sein, dass die Oberflächenstrukturen, vorzugsweise die statistischen Oberflächenstrukturen, auf den jeweiligen Substraten der einzelnen steuerbaren optischen Elemente jeweils zueinander eine unterschiedliche Ausrichtung aufweisen.

Vorzugsweise können die Oberflächenstrukturen von zwei steuerbare optische Elemente in einem Winkel von ca. 90° zueinander angeordnet sein. Auf diese Weise sind die Oberflächenstrukturen der einzelnen steuerbaren optischen Elemente ebenfalls vorzugsweise um 90° zueinander angeordnet. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, insbesondere bei mehr als zwei steuerbaren optischen Elementen, dass die einzelnen steuerbaren optischen Elemente unter einem anderen Winkel, wie z.B. 60° oder auch 45°, zueinander angeordnet sein können. Würde somit beispielsweise ein steuerbares optisches Element angesteuert oder an diesem eine Spannung angelegt und ein weiteres steuerbares optisches Element nicht angesteuert oder an diesem keine Spannung angelegt, so würde das auftreffende Licht in einer ersten Richtung gestreut werden. Würde umgekehrt ein steuerbares optisches Element nicht angesteuert oder an diesem keine Spannung angelegt, dafür jedoch ein weiteres steuerbares optisches Element angesteuert oder an diesem eine Spannung angelegt, so würde das einfallende Licht in einer zweiten Richtung gestreut werden.

Wiederum können wahlweise auch die Streuwinkel der einzelnen steuerbaren optischen Elemente unterschiedlich ausgebildet sein, so dass mit der Richtung des Sweet-Spots auch dessen Größe unterschiedlich eingestellt werden kann.

Ferner kann wenigstens ein Polarisationselement in Lichtausbreitungsrichtung vor dem wenigstens einen steuerbaren optischen Element vorgesehen sein.

Das wenigstens eine Polarisationselement kann als Polarisationsgitterelement ausgebildet sein und kann beispielsweise auftreffendes linkszirkular polarisiertes Licht in eine +1. Beugungsordnung und rechtszirkular polarisiertes Licht in eine -1. Beugungsordnung ablenken. Dies soll jedoch nur zeigen, dass verschieden polarisiertes Licht in unterschiedliche Richtungen mittels des wenigstens einen Polarisationselements abgelenkt werden kann.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Nachführeinrichtung als Filteranordnung ausgebildet ist, die zum Eliminieren von Beugungsordnungen vorgesehen ist.

Die Erfindung soll generell nicht auf die Verwendung von Streuelementen bzw. steuerbaren optischen Elementen, wie bereits erläutert, zum Verändern der Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms beschränkt sein. Vielmehr ist es auch möglich, dass die Nachführeinrichtung als Filteranordnung ausgebildet sein kann, mit der die Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms auf der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung veränderbar ist. Hierfür kann in allen Richtungen, d.h. in Kodierungsrichtung wie auch in Nicht-Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms, gleichermaßen kohärentes Licht verwendet werden. In einer Filterebene zwischen der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und der Betrachterebene, insbesondere in einer Fourierebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, können dazu nicht gewünschte Beugungsordnungen herausgefiltert werden. In Kodierungsrichtung des Hologramms oder Subhologramms sollte nur Licht einer einzelnen Beugungsordnung in das Auge eines Betrachters gelangen, da ansonsten der Betrachter ein unerwünschtes Mehrfachbild der rekonstruierten Szene sehen würde. Jeder Objektpunkt der vorzugsweise dreidimensionalen Szene würde einmal pro Beugungsordnung an für die einzelnen Beugungsordnungen unterschiedlichen Positionen rekonstruiert. Senkrecht zur Kodierungsrichtung des Hologramms oder Subhologramms, d.h. in Sweet-Spot-Richtung, führen aber unterschiedliche Beugungsordnungen im Auge des Betrachters nicht zu Störungen. Der Betrachter würde jeweils die gleiche rekonstruierte Szene in den einzelnen Beugungsordnungen sehen. Die Objektpunkte der Szene würden in dieser Sweet-Spot-Richtung in jeder Beugungsordnung an der gleichen Position erzeugt werden.

Die Verwendung mehrerer Beugungsordnungen hilft andererseits dabei, den Bereich zu vergrößern, innerhalb dessen das Licht die Augenpupille des Betrachters erreicht. Ein Sweet-Spot kann somit auch durch Licht mehrerer Beugungsordnungen in der Betrachterebene erzeugt werden.

Ein Sweet-Spot und ein virtuelles Betrachterfenster können dann beispielsweise erzeugt werden, indem durch die Filterung in einer Fourierebene des SLM in einer Richtung, die der Kodierungsrichtung des Hologramms oder Subhologramms entspricht, nur eine Beugungsordnung durchgelassen wird und die anderen erzeugten Beugungsordnungen herausgefiltert werden, wobei in der dazu senkrechten Richtung, die der Sweet-Spot- Richtung entspricht, mehrere Beugungsordnungen durchgelassen werden. Ist diese Filteranordnung als Nachführeinrichtung zur Filterung von Beugungsordnungen ansteuerbar ausgestaltet, so kann beispielsweise zwischen in einem Schaltzustand einer einzelnen Beugungsordnung in horizontaler Richtung und mehreren Beugungsordnungen in vertikaler Richtung zu in einem anderen Schaltzustand einer einzelnen Beugungsordnung in vertikaler Richtung und mehreren Beugungsordnungen in horizontaler Richtung umgeschaltet werden. Somit kann es vorteilhaft sein, wenn die Filteranordnung steuerbar ausgebildet ist. In weiteren Schaltzuständen der Filteranordnung können beispielsweise auch diagonale Beugungsordnungen verwendet werden, z.B. eine Beugungsordnung in +45 Grad-Richtung und mehrere Beugungsordnungen in -45 Grad-Richtung oder umgekehrt.

Dieses Umschalten oder Ändern der Schaltzustände der Filteranordnung kann wahlweise durch mechanisches Rotieren einer Apertur in der Filterebene erfolgen oder in einer anderen Ausführungsform durch eine elektrisch schaltbare Filterblende, die zwischen verschiedenen Orientierungen der Filterblende hin und her geschaltet werden kann.

Die Ausgestaltung als rotierende Filterblende erlaubt nur die Einstellung eines gleich großen Sweet-Spots in den verschiedenen Kodierungsrichtungen eines Hologramms.

Bei einer elektrisch ansteuerbaren Filterblende können jedoch in Sweet-Spot-Richtung je nach Einstellung der Blende unterschiedlich viele Beugungsordnungen gefiltert werden, um so einen je nach Kodierungsrichtung eines Hologramms unterschiedlich großen Sweet-Spot zu erzeugen. Beispielsweise können für den Sweet-Spot fünf Beugungsordnungen in horizontaler Richtung, aber sieben Beugungsordnungen in vertikaler Richtung verwendet werden, indem die Aperturen bzw. Öffnungen in der Filterebene für horizontalen Sweet-Spot und für vertikalen Sweet-Spot unterschiedlich groß gewählt werden. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Lichtquelle der wenigstens einen Beleuchtungseinrichtung als die Nachführeinrichtung ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Lichtquelle zur Veränderung der Kohärenzeigenschaft des auszusendenden Lichts steuerbar ausgeführt ist.

In einer anderen Ausführungsform kann beispielsweise bereits durch Steuern oder Umschalten einer Lichtquelle der wenigstens einen Beleuchtungseinrichtung die Kohärenzeigenschaft des Lichts derart verändert werden, dass in unterschiedlichen Richtungen jeweils eine hohe Kohärenz für die Erzeugung eines virtuellen Betrachterfensters oder eine niedrige Kohärenz für die Erzeugung eines Sweet-Spots vorliegt. Unter einer hohen Kohärenz in der Kodierungsrichtung wird hier eine Kohärenz verstanden, die hinreichend ist, so dass Licht, das von verschiedenen Pixeln innerhalb eines Subhologramms auf dem SLM ausgeht, miteinander interferiert. Niedrige Kohärenz in Sweet- Spot-Richtung bedeutet, dass das Licht aus benachbarten Pixeln des SLM in Sweet-Spot- Richtung nicht miteinander interferieren muss. Beispielsweise kann eine schlitzförmige Lichtquelle für die Beleuchtung des SLM verwendet werden, die eine unterschiedliche Kohärenz in der langen Richtung und in der kurzen Richtung des Schlitzes aufweist. Der komplexe Kohärenzgrad eines Strahlungsfeldes, das von einer ausgedehnten quasi- monochromatischen Lichtquelle erzeugt wird, kann bekanntlich nach dem van-Cittert- ZernikeTheorem berechnet werden. Eine derartige schlitzförmige Lichtquelle kann insbesondere ein unterschiedliches Winkelspektrum in der kurzen Richtung und in der langen Richtung des Schlitzes bei der Beleuchtung des SLM erzeugen.

Bevorzugt wird der SLM in Kodierungsrichtung eines Hologramms mit einem Winkelspektrum von 1/60° Grad (d.h. einer Bogenminute) oder kleiner beleuchtet, da dies eine holographische Rekonstruktion mit einer Auflösung erlaubt, die der Auflösung des menschlichen Auges entspricht oder sie übertrifft. In Sweet-Spot-Richtung kann der SLM jedoch mit einem deutlich größeren Winkelspektrum, beispielsweise einem Winkelspektrum von 1-2 Grad, beleuchtet werden. Länge und Breite der schlitzförmigen Lichtquelle und ihr Abstand zum SLM können so eingestellt werden, dass sich diese Winkelspektren am SLM ergeben. Befindet sich beispielsweise zwischen der Lichtquelle und dem SLM ein Abbildungselement, z.B. eine Linse, und die Lichtquelle steht in der objektseitigen Brennweite des Abbildungselements, so wird die Lichtquelle durch das Abbildungselement ins Unendliche abgebildet. Licht von einem Punkt der Lichtquelle fällt dann parallel auf den SLM ein. Licht von einem anderen Punkt der Lichtquelle fällt auch parallel, aber unter einem anderen Winkel im Vergleich zum ersten Punkt auf den SLM ein. Das Winkelspektrum wird dann durch die Ausdehnung der Lichtquelle und die Brennweite des Abbildungselements bestimmt. Tan a = x / f, wobei x die Ausdehnung des Spaltes oder Schlitzes und f die Brennweite ist. Bei einem Abbildungselement mit einer Brennweite von 100 mm wäre zum Beispiel die kurze Richtung des Schlitzes der Lichtquelle 29 pm breit, um ein Winkelspektrum von 1/60 Grad zu erzeugen. Die lange Richtung des Schlitzes könnte 3,5 mm lang sein, um ein Winkelspektrum von 2 Grad zu erzeugen.

Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass in einer Anzeigevorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von Objekten oder Szenen, bei der ein vom virtuellen Sichtbarkeitsbereich aus sichtbares vergrößertes Bild des SLM erzeugt wird, mit der Vergrößerung das effektive Winkelspektrum abnimmt. Das Zahlenbeispiel für die schlitzförmige Lichtquelle bezieht sich hier auf einen nicht vergrößerten, direkt vom Betrachter aus sichtbaren SLM. Für einen vergrößert abgebildeten SLM könnte die Lichtquelle proportional zum Vergrößerungsfaktor ebenfalls größer sein. Wird ein SLM beispielsweise um den Faktor 10 vergrößert abgebildet, so kann der SLM mit einem Winkelspektrum von 1/6 Grad x 20 Grad beleuchtet werden, damit auf das erzeugte Bild des SLM das Winkelspektrum von 1/60 Grad x 2 Grad einfällt. Auch die schlitzförmige Lichtquelle könnte um den Faktor 10 größer sein.

Die Erfindung soll ohnehin nicht auf eine schlitzförmige Lichtquelle von genau dieser Größe beschränkt sein. Die Zahlenangaben stellen lediglich Beispiele dar und dienen zur Veranschaulichung.

Eine einzelne schlitzförmige Lichtquelle könnte beispielsweise von einer Orientierung in eine andere Orientierung der kurzen oder langen Richtung des Schlitzes angesteuert und gedreht werden, wenn die Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms geändert werden soll. Es können auch in einer anderen Ausführung mehrere schlitzförmige Lichtquellen mit unterschiedlicher Orientierung der langen Richtung des Schlitzes verwendet werden, von denen eine Lichtquelle eingeschaltet und eine andere Lichtquelle ausgeschaltet wird, wenn die Kodierungsrichtung eines Hologramms verändert werden soll.

Es ist jedoch auch möglich, dass beispielsweise auch mittels eines steuerbaren optischen Elements die Kohärenz der Beleuchtung der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung so angepasst wird, dass jeweils in Kodierungsrichtung eines Hologramms eine hohe Kohärenz und in Sweet-Spot-Richtung eine reduzierte bzw. niedrige Kohärenz vorliegt. Zum Beispiel würde ein eindimensional ausgebildetes Streuelement in Streurichtung die Kohärenz verringern.

Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung als holographische Anzeigevorrichtung ausgebildet sein. Die Anzeigevorrichtung kann insbesondere als Head- Mounted-Display ausgebildet sein, wobei das Head-Mounted-Display für ein linkes Auge eines Betrachters und für ein rechtes Auge eines Betrachters jeweils eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung aufweist. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen nach Anspruch 28 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen weist wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht, wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung, wenigstens ein optisches System, eine Nachführeinrichtung und ein Positionsdetektionssystem auf. Das Positionsdetektionssystem ermittelt eine Position eines Auges eines Betrachters. Mit dem wenigstens einen optischen System und der Nachführeinrichtung wird eine geeignete Kodierungsrichtung eines Hologramms für Objektpunkte der Szene auf der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ermittelt. Das Hologramm stellt dabei die Summe aller Subhologramme dar, wobei jedem darzustellenden Objektpunkt der Szene ein Subhologramm zugeordnet ist. Eine Änderung der Kodierungsrichtung des Hologramms bedeutet, dass sich auch für jedes einzelne Subhologramm die Kodierungsrichtung ändert.

In die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung wird mittels einer Einzel- Parallaxe-Kodierung ein Hologramm in der ermittelten Kodierungsrichtung kodiert. Die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung wird durch die wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung beleuchtet und das Hologramm wird mittels des wenigstens einen optischen Systems rekonstruiert. Wenigstens ein virtueller Sichtbarkeitsbereich wird am Ort des Auges eines Betrachters erzeugt.

Auf diese Weise kann mittels Veränderung der Kodierungsrichtung des in die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung zu kodierenden Hologramms ein erzeugter virtueller Sichtbarkeitsbereich geeignet, mit einfachen Mitteln und kostengünstig dem Auge des Betrachters nachgeführt werden.

Vorteilhafterweise kann für das zu kodierende Hologramm diejenige Kodierungsrichtung als geeignet gewählt werden, bei der der virtuelle Sichtbarkeitsbereich den größten Flächenanteil mit einer Augenpupille des Betrachters einnimmt.

Es wird jeweils diejenige Kodierungsrichtung gewählt, die den größten Flächenanteil des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs innerhalb der Augenpupille des Betrachters liefert. Falls mehrere Möglichkeiten einer geeigneten Kodierungsrichtung mit einem gleich großen Flächeninhalt in Überlappung mit der Augenpupille auftreten sollten, kann eine Kodierungsrichtung davon ausgewählt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Augenposition des Betrachters und insbesondere die Position und gegebenenfalls Größe der Augenpupille und bei Änderung der Augenposition des Betrachters die neue Augenposition mit dem Positionsdetektionssystem ermittelt wird, zum Auswahlen einer geeigneten Kodierungsrichtung für das zu kodierende Hologramm der virtuelle Sichtbarkeitsbereich um seinen festen Mittelpunkt gedreht und ermittelt wird, in welcher Richtung der virtuelle Sichtbarkeitsbereich den größten Flächenanteil mit dem Bereich der Augenpupille des Betrachters einnimmt.

Der Mittelpunkt des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs wird zur Festlegung einer geeigneten Kodierungsrichtung eines Hologramms nicht verändert, er bleibt immer an ein und derselben Position. Das bedeutet, das zur Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue Position des Auges, insbesondere der Augenpupille, der virtuelle Sichtbarkeitsbereich nicht an eine andere Position verschoben wird, sondern immer mit seinem Mittelpunkt an derselben Position bleibt und nur um seinen Mittelpunkt gedreht wird. Das bedeutet weiterhin, dass auch das Hologramm auf der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung um seinen Mittelpunkt gedreht wird und davon eine geeignete Kodierungsrichtung gewählt wird, da das Hologramm mittels Einzel-Prallaxe-Kodierung kodiert wird. Dies basiert auf der Tatsache, dass durch eine Projektion des virtuellen Betrachterfensters aus dem virtuellen Sichtbarkeitsbereich durch einen Objektpunkt der zu rekonstruierenden Szene auf die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung das zu kodierende Subhologramm bzw. Hologramm für den zu erzeugenden Objektpunkt ermittelt wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und/oder die beschriebenen Ausführungsbeispiele bzw. Ausgestaltungen miteinander zu kombinieren. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen, in denen auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen der Lehre erläutert werden. Die Erfindung wird dabei anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert, soll jedoch nicht auf diese beschränkt sein.

Die Figuren zeigen:

Fig. 1 : in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße holographische

Anzeigevorrichtung in einer perspektivischen Darstellung;

Fig. 2: prinzipmäßige Darstellungen eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs in Bezug zu einem Augenbereich eines Betrachters nach dem Stand der Technik; Fig. 3: prinzipmäßige Darstellungen eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels zur Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs;

Fig. 4: eine prinzipmäßige Darstellung zur Ermittlung einer geeigneten

Kodierungsrichtung eines Hologramms;

Fig. 5: eine prinzipmäßige Darstellung einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung, mit der die Kodierungsrichtung eines Hologramms veränderbar ist;

Fig. 6: in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße holographische

Anzeigevorrichtung mit einer zur Fig. 5 alternativen Nachführeinrichtung;

Fig. 7: in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße holographische

Anzeigevorrichtung mit einer zu den Fig. 5 und 6 weiteren alternativen Nachführeinrichtung;

Fig. 8: eine prinzipmäßige Darstellung von Sub-Hologrammen mit verschiedenen

Kodierungsrichtungen auf einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in den Darstellungen a) bis e);

Fig. 9: eine prinzipmäßige Darstellung von Sub-Hologrammen mit weiteren verschiedenen diagonalen Kodierungsrichtungen auf einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in den Darstellungen a) bis d); und

Fig. 10: eine prinzipmäßige Darstellung eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen steuerbaren optischen Elements einer Nachführeinrichtung.

Es soll kurz erwähnt werden, dass gleiche Elemente/Bauteile/Komponenten auch die gleichen Bezugszeichen in den Figuren aufweisen.

In Fig.1 ist eine holographische Anzeigevorrichtung in einer perspektivischen Ansicht und vereinfacht ohne die Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung und eines optischen System dargestellt. Eine derartige Anzeigevorrichtung soll zur Verdeutlichung und Erläuterung der vorliegenden Erfindung dienen und soll deshalb nochmal kurz beschrieben werden. Bei dieser Anzeigevorrichtung erfolgt eine Erzeugung von Subhologrammen für eine Vielzahl von Objektpunkten einer Szene in verschiedenen Tiefen zu einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung SLM als eine Projektion eines virtuellen Betrachterfensters VW in einer Betrachterebene, in der sich ein Betrachter befindet und der hier durch die Darstellung eines Auges mit einer Pupille P dargestellt werden soll, über den jeweiligen Objektpunkt auf die räumliche Lichtmodulationseinrichtung SLM, die im Nachfolgenden der Einfachheit halber als SLM bezeichnet wird. Es ist ersichtlich, dass die Lage der Subhologramme auf dem SLM von der relativen Lage der Objektpunkte zum virtuellen Betrachterfenster VW abhängig ist. Ferner ist die Abmessung oder Ausdehnung oder Größe der Subhologramme von der z-Position des kodierten Objektpunktes abhängig, wobei z der Abstand des Objektpunktes zum SLM ist. Es erfolgt dabei zumeist eine Überlappung von Subhologrammen.

Objektpunkte, die sich im Abstand weit von der Eintrittspupille eines Auges eines Betrachters entfernt befinden, das heißt, beispielsweise nahe der Ebene des SLM, oder auch im Falle eines Head-Mounted Display (HMD) oder eines Head-Up Display (HUD) nahe einer virtuellen Ebene des SLM, weisen ein in ihrer Größe oder Ausdehnung kleines Subhologramm auf. Kleine Subhologramme können beispielsweise bei einer eindimensionalen (1 D) Kodierung eines Hologramms, auch als Einzel-Parallaxe-Kodierung bezeichnet, eine laterale Ausdehnung von 10 Pixeln oder bei einer zweidimensionalen (2D) Kodierung eines Hologramms, auch als Voll-Parallaxe-Kodierung bezeichnet, eine laterale Ausdehnung von 10 x 10 Pixeln aufweisen.

Für eine holographische Rekonstruktion von Szenen, vorzugsweise dreidimensionalen Szenen, werden Subhologramme in Verbindung mit einem virtuellen Sichtbarkeitsbereich, der bei einer Einzel-Parallaxe-Kodierung eines Hologramms aus einem virtuellen Betrachterfenster in Kodierungsrichtung des Hologramms und einem Sweet-Spot in Nicht- Kodierungsrichtung des Hologramms oder bei einer Voll-Parallaxe-Kodierung eines Hologramms aus einem zweidimensionalen virtuellen Betrachterfenster gebildet wird, verwendet, durch welches ein Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten kann.

Zur Berechnung und Erzeugung von Hologrammen kann beispielsweise das Projektionsverfahren gemäß Fig. 1 eingesetzt werden.

Beim Projektionsverfahren werden die Umrisse eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs in einer Betrachterebene durch einen Objektpunkt auf einen SLM projiziert und erzeugen auf dem SLM ein Subhologramm. Mit anderen Worten, durch die Projektion der Umrisse des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs werden auf dem SLM Umrisse eines Subhologramms gebildet bzw. erzeugt. Im Subhologramm wird dann die Phasenfunktion kodiert, die den Objektpunkt rekonstruieren soll. Die Amplitudenfunktion oder einfach Amplitude im Subhologramm wird in einer einfachsten Ausgestaltung für alle Pixel des Subhologramms auf den gleichen Wert gesetzt und derart gewählt, dass das Subhologramm den Objektpunkt mit einer vorgegebenen Intensität rekonstruiert. Der virtuelle Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene ist in seiner Größe auf eine Beugungsordnung des entstehenden Beugungsbilds begrenzt. Durch diese Beschränkung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs auf eine Beugungsordnung sind andere Beugungsordnungen nicht im virtuellen Sichtbarkeitsbereich für den Betrachter sichtbar.

Es wird somit ein Hologramm erzeugt, das eine vom virtuellen Sichtbarkeitsbereich aus sichtbare zweidimensionale und/oder dreidimensionale Szene rekonstruiert.

Bezüglich Head-Mounted-Displays (HMD), Head-Up-Displays (HUD) oder Projektionsdisplays mit einem realen oder virtuellen Bild des SLMs soll sich der hier verwendete Begriff „SLM“ auf das Bild des SLM beziehen, das vom virtuellen Sichtbarkeitsbereich aus sichtbar ist.

Bei dem Projektionsverfahren ist in einer einfachsten Ausgestaltung die Amplitude eines Subhologramms über die Ausdehnung des Subhologramms konstant. Es können jedoch auch Ausgestaltungen vorgesehen sein, bei denen diese Amplitude über die Ausdehnung des Subhologramms veränderbar ist. Dies kann beispielsweise durch Multiplikation mit der Reziproken der Fouriertransformierten der Pixeltransmission erfolgen, um eine gleichmäßigere Helligkeitsverteilung im virtuellen Sichtbarkeitsbereich zu erhalten.

Ein virtuelles Betrachterfenster in einer Betrachterebene, das mittels der Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 1 erzeugt werden kann, kann eine Ausdehnung kleiner als eine Augenpupille eines Betrachters oder wahlweise auch größer als oder gleich einer Augenpupille aufweisen. Typischerweise sollte das virtuelle Betrachterfenster jedoch nicht größer als ca. 10 mm oder höchstens ca. 15 mm sein, da ansonsten sehr hohe Anforderungen an den Pixelpitch und die Anzahl an Pixeln eines SLM gestellt werden müssten.

Mit dem gleichen, das virtuelle Betrachterfenster erzeugenden SLM, d.h. mit einem bestimmten bzw. definierten Pixel-Pitch und einer bestimmten Anzahl von Pixeln des SLM, ist es jedoch möglich, einen Sweet-Spot in der Betrachterebene zu erzeugen, der in seiner Ausdehnung deutlich größer sein kann als ein virtuelles Betrachterfenster. Beispielsweise kann ein Sweet-Spot auch eine Ausdehnung von ca. 20 mm oder mehr aufweisen. Eine Begrenzung der Ausdehnung für den Sweet-Spot bei einem Direktsichtdisplay stellt der Augenabstand eines Betrachters dar. Es sollte daher verhindert werden, dass Licht für den Sweet-Spot des einen Auges in das Nachbarauge des Betrachters fällt. Da beide Augen eines Betrachters horizontal nebeneinander liegen, betrifft dies daher im Wesentlichen nur die horizontale Ausdehnung des Sweet-Spots. Ein vertikal erzeugter Sweet-Spot könnte somit beispielsweise auch in seiner Ausdehnung größer als der Augenabstand gewählt werden. Für ein Head-Mounted-Display wird die Größe der Ausdehnung des Sweet-Spots zweckmäßigerweise so gewählt, dass der Bereich des Sweet-Spots den typischen Bewegungsbereich der Pupille innerhalb des Auges abdecken kann.

Am Beispiel eines holographischen Head-Mounted-Displays (HMD) als erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung soll nun anhand der Figuren 3 bis 10 die Erfindung in Ausführungsbeispielen erläutert werden. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird anhand von Fig. 2 eine bisher gemäß der Anmelderin durchgeführte Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs beschrieben.

In einem Head-Mounted-Display der Anmelderin, bei dem die einzelnen Hologramme oder Subhologramme für die einzelnen Objektpunkte einer Szene mittels einer Einzel-Parallaxe- Kodierung in den SLM kodiert werden, wird meist nur ein sehr kleines virtuelles Betrachterfenster von ca. 1 mm und ein Sweet-Spot von ca. 10 mm, die zusammen den virtuellen Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene bilden, verwendet. Insgesamt ergibt sich dann ein rechteckiger virtueller Sichtbarkeitsbereich mit in zwei Richtungen stark unterschiedlichen Kantenlängen bzw. Ausdehnungen, innerhalb dessen für die Augenpupille eines Betrachters eine Rekonstruktion der zweidimensionalen oder dreidimensionalen Szene sichtbar ist.

In Fig. 2 ist ein erzeugter virtueller Sichtbarkeitsbereich nach dem Stand der Technik dargestellt, der aus einem virtuellen Betrachterfenster VW und einem Sweet-Spot SS gebildet wird. Ein derartiger virtueller Sichtbarkeitsbereich wird bei einer Einzel-Parallaxe- Kodierung eines Hologramms in einen SLM erzeugt, wobei das kodierte Hologramm oder Subhologramm eine feste Kodierungsrichtung, hier in diesem Fall eine vertikale Kodierungsrichtung, aufweist. Hierdurch entsteht in vertikaler, d.h. senkrechter, Richtung ein in seiner Ausdehnung kleines virtuelles Betrachterfenster VW. In Fig. 2 ist die Ausdehnung des virtuellen Betrachterfensters VW kleiner als die Größe der Pupille P des Auges eines Betrachters. Wie ersichtlich wird in der horizontalen, d.h. waagerechten, Richtung hier ein in seiner Ausdehnung deutlich größerer Sweet-Spot SS als die Ausdehnung des virtuellen Betrachterfensters VW erzeugt.

In der Darstellung a) der Fig. 2 ist eine Position einer Pupille P eines Auges eines Betrachters im Zentrumsbereich des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs dargestellt. Das bedeutet, die Pupille P des Auges befindet sich jeweils im mittleren Bereich des virtuellen Betrachterfensters VW wie auch im mittleren Bereich des Sweet-Spots SS. In dieser Position der Pupille P zum virtuellen Sichtbarkeitsbereich kann das Auge des Betrachters eine rekonstruierte vorzugsweise dreidimensionale Szene wahrnehmen und beobachten.

In der Darstellung b) der Fig. 2 ist der Fall gezeigt, bei dem sich die Pupille P des Auges des Betrachters horizontal relativ zum Zentrum des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs, insbesondere relativ zum Zentrum des in horizontaler Richtung hier vorliegenden Sweet- Spots SS, bewegt hat. Die Pupille P des Auges befindet sich aber noch innerhalb des Sweet- Spots SS des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs. Auch in diesem Fall ist für das Auge des Betrachters eine Rekonstruktion der vorzugsweise dreidimensionalen Szene sichtbar und beobachtbar.

In der Darstellung c) der Fig. 2 ist im Vergleich zu der Darstellung b) der Fall gezeigt, bei dem sich die Pupille P des Auges des Betrachters zu einer horizontalen Bewegung auch noch zusätzlich in vertikaler Richtung relativ zum Zentrum des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs bewegt hat. Wie ersichtlich, befindet sich nun die Pupille P des Auges außerhalb des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs, d.h. der virtuelle Sichtbarkeitsbereich und die Pupille P des Auges überlagern bzw. überdecken sich nicht mehr. Der Betrachter kann nun die rekonstruierte Szene nicht mehr beobachten. In einer herkömmlichen Anzeigevorrichtung nach dem Stand der Technik müsste nun der virtuelle Sichtbarkeitsbereich mit geeigneten optischen Mitteln, wie beispielsweise einer Beugungseinrichtung, verschoben und an eine neue Position der Pupille P des Auges nachgeführt werden. Ein derartig verschobener virtueller Sichtbarkeitsbereich an die neue Position der Pupille P des Auges ist in der Darstellung c) mit gestrichelten Linien dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt im Vergleich zu Fig. 2 einen erzeugten virtuellen Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene, in der sich ein Auge eines Betrachters befindet, bei dem sich gemäß der Erfindung die Richtung des virtuellen Betrachterfensters und die Richtung des Sweet-Spots verändern lassen. Auch hier wird wieder mittels einer Einzel-Parallaxe-Kodierung ein Hologramm oder Subhologramm in den SLM kodiert. Somit lässt sich dadurch die Kodierungsrichtung des Hologramms oder Subhologramms auf dem SLM verändern. Ein derartiger virtueller Sichtbarkeitsbereich wird, wie zu Fig. 2 erwähnt, bei einer Einzel- Parallaxe-Kodierung eines Hologramms in einen SLM erzeugt, wobei das kodierte Hologramm oder Subhologramm eine feste Kodierungsrichtung, hier in diesem Fall eine vertikale Kodierungsrichtung, aufweist. Hierdurch entsteht in vertikaler, d.h. senkrechter, Richtung ein in seiner Ausdehnung kleines virtuelles Betrachterfenster VW. In Fig. 3 ist auch hier, der Einfachheit halber und beim Beispiel der Fig. 2 zu bleiben, die Ausdehnung des virtuellen Betrachterfensters VW kleiner als die Größe der Pupille P des Auges eines Betrachters. Wie ersichtlich wird in der horizontalen, d.h. waagerechten, Richtung hier ein in seiner Ausdehnung deutlich größerer Sweet-Spot SS als die Ausdehnung des virtuellen Betrachterfensters VW erzeugt.

In der Darstellung a) der Fig. 3 ist eine Position einer Pupille P eines Auges eines Betrachters dargestellt, für die eine vertikale Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms verwendet wird. Um eine geeignete Kodierungsrichtung des in den SLM zu kodierenden Hologramms zu ermitteln, wird mittels eines Positionsdetektionssystems die Position des Auges und insbesondere der Augenpupille des Betrachters zum SLM ermittelt. Dann wird mittels eines optischen Systems der Anzeigevorrichtung und einer Nachführeinrichtung, die z.B. näher in Fig. 5 gezeigt sind, eine geeignete Kodierungsrichtung des Hologramms ermittelt, in dem in den SLM mittels Einzel-Parallaxe-Kodierung ein Hologramm unter Simulation kodiert wird und ein virtueller Sichtbarkeitsbereich simuliert erzeugt wird. Danach wird ermittelt, ob der virtuelle Sichtbarkeitsbereich sich mit der Augenpupille des Betrachters überlagert. Ist dies der Fall, kann ferner überprüft werden, ob in dieser Kodierungsrichtung des Hologramms der simulierte, virtuelle Sichtbarkeitsbereich den größten Flächenanteil mit. der Pupille des Auges des Betrachters einnimmt. Ist dies ebenfalls der Fall, kann das Hologramm nun in dieser ermittelten Kodierungsrichtung in den SLM kodiert werden und der Objektpunkt durch Beleuchten des SLM mit einer Beleuchtungseinrichtung und des optischen Systems rekonstruiert werden, so dass der Betrachter diesen durch den real erzeugten virtuellen Sichtbarkeitsbereich beobachten kann.

Bewegt sich bei Beobachten des Objektpunkts oder der Szene das Auge bzw. die Pupille des Auges, so muss der virtuelle Sichtbarkeitsbereich der Pupille nachgeführt werden, damit der Betrachter weiterhin den dargestellten Objektpunkt oder die dargestellte Szene betrachten kann. Eine Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs ist in der Darstellung b) der Fig. 3 gezeigt. Dort ist eine veränderte Position der Pupille P des Auges im Vergleich zur Darstellung a) dargestellt. Das Auge bzw. die Pupille P hat sich vertikal bewegt, so dass der virtuelle Sichtbarkeitsbereich ausgehend von der Darstellung a) sich nicht mehr mit der Pupille P überlagert. Eine Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an die neue Position der Pupille des Auges erfolgt nun durch eine Drehung bzw. Rotation des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs um seinen Mittelpunkt M. Dadurch wird ebenfalls die Kodierungsrichtung des Hologramms auf dem SLM verändert.

Es wird somit wieder durch eine Simulation die Kodierungsrichtung des Hologramms ermittelt, nämlich durch Drehen des simuliert erzeugten virtuellen Sichtbarkeitsbereichs um seinen Mittelpunkt M. Dabei wird die Kodierungsrichtung des Hologramms als geeignet ausgewählt, bei der sich der größte Flächenanteil des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs mit der Pupille des Auges überdeckt bzw. überlagert. Ist eine Kodierungsrichtung des Hologramms als geeignet gewählt, kann das Hologramm mit dieser gewählten und ermittelten Kodierungsrichtung in den SLM kodiert werden. Auf diese Weise wird nun ein virtueller Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene erzeugt, der sich mit der neuen Position der Pupille des Auges überlagert. Somit befinden sich durch Drehen des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs und folglich durch Drehen der Kodierungsrichtung das virtuelle Betrachterfenster und der Sweet-Spot zum Teil wieder innerhalb der Pupille, so dass der Betrachter die rekonstruierte Szene ohne Störungen beobachten kann.

Im Vergleich zu Fig. 2 ist bei der Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs gemäß der Fig. 3 der Mittelpunkt M des rechteckigen Bereichs des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs, der durch das virtuelle Betrachterfenster und den Sweet-Spot gebildet wird, auch zeitlich nach der Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue Position des Auges bzw. der Pupille des Auges weiterhin an derselben Position. Der Mittelpunkt M des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs wird somit bei der Nachführung nicht verschoben.

Je nach benötigtem Bereich der Pupillenpositionen ist es nicht nötig, den Rotationswinkel des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs und somit der Kodierungsrichtung in beliebig kleinen Schritten auszuwählen, da sich die Pupille beispielsweise bei der Verwendung der Anzeigevorrichtung als Head-Mounted-Display nicht über einen großen Bereich bewegen kann, wie dies beispielsweise bei einem Direktsicht-Display bei Bewegung eines Betrachters der Fall wäre, wenn sich dieser an eine andere Position bewegt. Die Veränderung der Kodierungsrichtung eines Hologramms zur Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs ist auch nicht für große Bewegungen eines Betrachters vorgesehen, sondern eignet sich vielmehr besonders vorteilhaft für eine Feinnachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs, wie diese beispielsweise bei einem Head-Mounted-Display eingesetzt werden kann. Da sich die Pupille eines Auges nur über einen begrenzten Bereich bewegen kann, reichen wenige Rotationswinkeleinstellungen aus, beispielsweise vier Rotationswinkel, z.B. horizontal (0°), vertikal (90°) und zwei diagonale Rotationswinkeleinstellungen (+45° und -45°).

In Fig. 4 ist schematisch eine Anordnung dargestellt, die den virtuellen Sichtbarkeitsbereich, der ein virtuelles Betrachterfenster mit einer Ausdehnung von ca. 1 mm und einen Sweet- Spot mit einer Ausdehnung von ca. 10 mm aufweist, in verschiedenen Rotationswinkelstellungen zeigt. Hierbei ist der virtuelle Sichtbarkeitsbereich in vier möglichen Rotationswinkelstellungen gezeigt, d.h. bei der sich die Kodierungsrichtungen eines Hologramms dann in horizontaler Richtung (B), in vertikaler Richtung (D) und in zwei diagonalen Richtungen (A und C) befinden. Zur Auswahl und Ermittlung einer geeigneten Kodierungsrichtung für das in den SLM zu kodierende Hologramm wird der Rotationswinkel gewählt, der den größten Flächenanteil des virtuellen Betrachterfensters VW und des Sweet- Spots SS mit der Pupille P des Auges einnimmt. Falls bei der Ermittlung einer geeigneten Kodierungsrichtung für das Hologramm mehrere Möglichkeiten von Kodierungsrichtungen auftreten sollten, bei denen der virtuelle Sichtbarkeitsbereich mit der Pupille P des Auges einen gleich großen Flächeninhalt einnimmt, kann eine Kodierungsrichtung davon gewählt und verwendet werden.

In Fig. 4 ist das Zentrum bzw. der Mittelpunkt der Pupille P des Auges unter einem Winkel von ca. 22,5 Grad zu einer horizontalen Linie L oder zum Mittelpunkt M des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs vorgesehen. Wie ersichtlich nehmen die vertikale Kodierungsrichtung (D) und die diagonale Kodierungsrichtung (-45°; C) den gleichen Flächenanteil über der Pupille P des Auges ein, so dass bei Kodierung von Hologrammen oder Subhologrammen mit diesen beiden Kodierungsrichtungen in den SLM bei der Darstellung des rekonstruierten Objektpunkts oder Szene gleichviel Licht durch die Pupille P ins Auge des Betrachters gelangt. Es kann somit eine von diesen beiden Kodierungsrichtungen für das in den SLM zu kodierende Hologramm oder Subhologramm gewählt werden.

Prinzipiell ist eine Veränderung der Kodierungsrichtung eines Hologramms durch eine Drehung des eindimensionalen Hologramms auch kombinierbar mit einer Verschiebung des virtuellen Betrachterfensters in Kodierungsrichtung durch Kodierung von Prismentermen im Hologramm bzw. Subhologramm, wie dies in der WO 2018/037077A2 offenbart ist, deren Offenbarungsgehalt hier vollumfänglich mit aufgenommen sein soll. Wird zu der Phase des Hologramms eine lineare Phasenfunktion (d.h. eine Prismenfunktion) hinzuaddiert, so verschiebt sich das virtuelle Betrachterfenster um Bruchteile einer Beugungsordnung. Eine lineare Phasenfunktion mit einer Differenz von p zwischen benachbarten Pixeln führt zum Beispiel zu einer Verschiebung des virtuellen Betrachterfensters um eine halbe (! ) Beugungsordnung oder allgemein eine Differenz von 2TT/X führt zu einer Verschiebung von 1/x einer Beugungsordnung. Durch diese Verschiebung des virtuellen Betrachterfensters durch Phasenfunktionen im Hologramm wird jedoch nicht die Helligkeitsverteilung der einzelnen Beugungsordnungen geändert. Üblicherweise sieht ein Betrachter zwar eine korrekte Rekonstruktion der vorzugsweise dreidimensionalen Szene, deren Helligkeit jedoch abnimmt, wenn der Betrachter sich von der zentralen Beugungsordnung in höhere Beugungsordnungen bewegt. Aufgrund dieser Einschränkung der Helligkeit ist die Verschiebung des virtuellen Betrachterfensters durch Kodierung von Prismentermen üblicherweise nur über einen kleinen Bereich von wenigen Beugungsordnungen anwendbar. Ist das virtuelle Betrachterfenster in seiner Größe kleiner als die Augenpupille, so sollte zudem durch eine Filterung von Beugungsordnungen in einem optischen System mit einem Zwischenbild des virtuellen Betrachterfensters sichergestellt werden, dass nur Licht von der Ausdehnung einer Beugungsordnung das Auge erreicht. Ist beispielsweise das virtuelle Betrachterfenster unverschoben, so würde eine Filterung nur Licht aus der nullten Beugungsordnung zum Auge lassen. Ist das virtuelle Betrachterfenster beispielsweise durch Prismenfunktionen um eine halbe Beugungsordnung verschoben, so sollte die Filterung die Hälfte der nullten Beugungsordnung und die Hälfte der ersten Beugungsordnung durchlassen, so dass dieses Licht zum Auge gelangen kann. Das heißt, die Filterblende sollte abgestimmt auf die verwendeten Primsenfunktionen verschiebbar ausgebildet sein, beispielsweise mechanisch oder durch elektronische Ansteuerung. Eine derartige Verwendung einer Filterblende ist in Kombination mit allen Ausführungsformen der Erfindung möglich. In der Ausführungsform, wenn auch für die Einstellung bzw. Änderung der Kodierungsrichtung eines Hologramms ohnehin eine drehbare Filterblende in einer Fourierebene verwendet wird, ist eine Kombination am einfachsten möglich, indem die gleiche Filterblende sowohl drehbar als auch verschiebbar ausgestaltet ist.

Eine Filterung ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wenn das virtuelle Betrachterfenster in seiner Größe größer ist als die Augenpupille eines Betrachters, weil dann auch ohne Filterung gewährleistet ist, dass nur Licht von der Ausdehnung einer Beugungsordnung das Auge erreicht. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich jedoch auf ein virtuelles Betrachterfenster, das in seiner Größe kleiner als eine Augenpupille ist. Ein ca. 1 mm großes virtuelles Betrachterfenster mit einem ca. 10 mm großen Sweet-Spot könnte beispielsweise noch um eine ±1. Beugungsordnung, somit um ±1 mm, in Kodierungsrichtung eines Hologramms verschoben werden, um einen möglichen Bereich von ca. 3 mm x 10 mm abzudecken.

Zusätzlich zu einer Drehung der Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms kann somit eine kleine Verschiebung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs um einen kleinen Bereich, zum Beispiel plus/minus eine Beugungsordnung, erfolgen, um die Pupille des Auges besser zu treffen bzw. zu überlagern bzw. überdecken. Bei der Auswahl, welche Kodierungsrichtung eines Hologramms sich mit der Pupille P des Auges am Besten überlagert, wären somit auch Kombinationen einer Drehung der Kodierungsrichtung und einer kleinen Verschiebung mit zu berücksichtigen.

Hierbei, wie auch in den vorher beschriebenen Fällen, die nur die Drehung der Kodierungsrichtung betreffen, kann wahlweise eine Zuordnung der Kodierungsrichtung für die einzelnen Augenpositionen entweder jeweils neu berechnet werden oder alternativ einmalig im Voraus für alle infrage kommenden Augenpositionen vorausberechnet und beispielsweise in Form eine Look-Up-Tabelle gespeichert werden. Im letzteren Fall würde somit je nach der mit dem Positionsdetektionssystem detektierten Position der Augenpupille die Kodierungsrichtung für ein Hologramm gewählt werden, die für diese Position in der Look-Up-Tabelle abgespeichert ist. Gegebenenfalls kann zusätzlich die Verschiebung des virtuellen Betrachterfensters durch Prismenterme, die ebenfalls in einer Look-Up-Tabelle gespeichert sind, erfolgen.

In Fig. 5 ist eine Anzeigevorrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigevorrichtung dargestellt. Die Anzeigevorrichtung weist eine Nachführeinrichtung 4 auf, mittels der eine Veränderung der Kodierungsrichtung eines Hologramms erfolgen kann.

In einer Betrachterebene kann ein Sweet-Spot mit Hilfe eines Streuelements erzeugt werden, wenn dieses Streuelement in der Nähe eines SLM oder in einer Zwischenbildebene eines SLM angeordnet ist.

Dabei sollte berücksichtigt werden, dass in einer Anzeigevorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von Objekten oder Szenen, bei der ein vom virtuellen Sichtbarkeitsbereich aus sichtbares vergrößertes Bild des SLM erzeugt wird, das Streuelement ebenfalls vergrößert abgebildet wird und mit der Vergrößerung der effektive Streuwinkel abnimmt. Ein Streuelement mit einem Streuwinkel von ca. 20° x 1 ° erzeugt bei einer vergrößerten Abbildung des SLM mit einem Faktor von 20 zum Beispiel einen effektiven Streuwinkel von ca. 1 ° x 1/20°. Wird ein Bild eines SLM in 1 m Entfernung vom virtuellen Sichtbarkeitsbereich erzeugt, so entsteht mit dem effektiven Streuwinkel von 1 ° laut der Formel tan 1 ° ^* 1000 mm zum Beispiel ein Sweet-Spot in der Betrachterebene mit einer Ausdehnung von ca. 17 mm. Der Winkel von 1/20° in Kodierungsrichtung führt in diesem Beispiel dazu, dass in Kodierungsrichtung die Auflösung der vorzugsweise dreidimensionalen Szene ebenfalls auf 20 Pixel/Grad beschränkt ist, somit schlechter als die für ein Auge maximal sichtbare Auflösung. Die Zahlenwerte stellen jedoch wiederum nur Beispiele dar. Es könnte auch ein Streuelement mit einem Streuwinkel von 20 Grad x 0,3 Grad eingesetzt werden.

Um gemäß den Figuren 3 und 4 eine Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue Position der Pupille eines Auges vorzusehen, können zur Veränderung der Kodierungsrichtung des Hologramms oder Subhologramms und somit auch zur Veränderung der Sweet-Spot-Richtung zum Beispiel mehrere steuerbare optische Elemente verwendet werden, die als Streuelemente ausgebildet sind. Ein erstes steuerbares optisches Element würde zum Beispiel das Licht ca. 20° vertikal x 1 ° horizontal streuen, wobei ein zweites steuerbares optisches Element das Licht ca. 1 ° vertikal x 20° horizontal streuen würde. Durch eine Ansteuerung des einen steuerbaren optischen Elements und dann des anderen steuerbaren optischen Elements kann die Kodierungsrichtung des Hologramms oder Subhologramms um 90° gedreht und senkrecht zur Kodierungsrichtung jeweils ein entsprechend großer Sweet-Spot erzeugt werden. Diese Anordnung lässt sich optional wie folgt erweitern: Ein drittes steuerbares optisches Element würde das Licht beispielsweise ca. 1 ° in die Richtung +45 Grad diagonal und 20° in die Richtung -45° diagonal streuen. Ein viertes steuerbares optisches Element würde das Licht beispielsweise ca. 1 ° in die Richtung -45 Grad diagonal und 20° in die Richtung +45° diagonal streuen. In diesem Fall könnte durch Ansteuerung von jeweils einem der steuerbaren optischen Elemente zwischen vier Kodierungsrichtungen gewählt werden.

Es können jedoch für eine Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue Position der Pupille eines Auges eines Betrachters auch wenigstens zwei passive Streuelemente in der Nachführeinrichtung vorgesehen sein. Diese wenigstens zwei passiven Streuelemente können mit Hilfe von wenigstens einem steuerbaren optischen Element der Nachführeinrichtung zur Lichtstreuung ausgewählt werden.

Hierfür können die wenigstens zwei passiven Streuelemente beispielsweise als Volumengitter ausgebildet sein und eine bestimmte Winkelselektivität aufweisen. In diesem Fall können unterschiedliche Winkelselektivitäten für die einzelnen als Volumengitter ausgebildeten Streuelemente eingestellt werden.

Um eines der wenigstens zwei passiven Streuelemente für eine Lichtstreuung auszuwählen bzw. vorzusehen, kann ein Ablenkgitterelement und ein steuerbares optisches Element vorgesehen werden. Das Ablenkgitterelement weist beispielsweise einen Ablenkwinkel auf, der polarisationsselektiv steuerbar bzw. umschaltbar ist. Das Ablenkgitterelement könnte beispielsweise ein Polarisationsgitterelement sein, das für linkszirkular oder rechtszirkular polarisiertes einfallendes Licht dieses Licht wahlweise in die +1. oder -1. Beugungsordnung ablenkt, wobei jede Beugungsordnung einem anderen Ablenkwinkel entspricht. Das steuerbare optische Element kann als Polarisationsumschalter, beispielsweise eine LC (liquid crystal) Schicht, die durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist, ausgebildet sein. Das steuerbare optische Element in Form des Polarisationsumschalters erzeugt je nach Schaltzustand des Polarisationsumschalters einen definierten Polarisationszustand des Lichts, beispielsweise in einem Schaltzustand linkszirkular polarisiertes Licht und in einem anderen Schaltzustand rechtszirkular polarisiertes Licht. Auf diese Weise kann damit ein Ablenkwinkel im Ablenkgitterelement auswählt und aufgrund der Winkelselektivität der Streuelemente eines der passiven Streuelemente der Nachführeinrichtung angewählt werden.

Eine Anzeigevorrichtung mit einer derartigen Nachführeinrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Anzeigevorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung 1 mit wenigstens einer Lichtquelle, einen SLM 2, ein optisches System 3 und die Nachführeinrichtung 4 auf, wobei weitere optische Elemente oder Einrichtungen in der Anzeigevorrichtung möglich, jedoch zur Erläuterung der Erfindung nicht notwendig sind. In dem SLM soll mittels einer Einzel- Parallaxe-Kodierung ein Hologramm oder Subhologramm kodiert werden, um einen Objektpunkt oder eine Szene für einen Betrachter zu rekonstruieren bzw. darzustellen. Der SLM wird durch die Beleuchtungseinrichtung 1 mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet. Das optische System 3, das beispielsweise wenigstens ein Abbildungselement, wie ein Linsenelement, aufweist, ist zwischen dem SLM 2 und einer Betrachterebene 5 angeordnet. Die Anordnung des optischen Systems 3 im Strahlengang ist dabei so vorgesehen, dass es bei einer Abwesenheit der Nachführeinrichtung 4 in Nicht-Kodierungsrichtung, d.h. der Sweet-Spot-Richtung, die Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 1 in die Betrachterebene

5 abbilden würde. Zusätzlich erzeugt das optische System 3 ein von der Betrachterebene 5 aus sichtbares vergrößertes virtuelles Bild des SLM 2, das hier nicht dargestellt ist.

Die Nachführeinrichtung 4 weist zwei passive eindimensionale Streuelemente 6 und 7 auf, die in Lichtausbreitungsrichtung nach dem SLM 2 angeordnet sind. Ein erstes Streuelement

6 erzeugt einen Streuwinkel von 20° in vertikaler Richtung und einen Streuwinkel von 1 ° in horizontaler Richtung. Ein zweites Streuelement 7 erzeugt hier einen Streuwinkel von 1 ° in vertikaler Richtung und einen Streuwinkel von 20° in horizontaler Richtung. Die beiden passiven eindimensionalen Streuelemente können hier als Volumengitter ausgebildet sein und haben eine für Volumengitter typische eingeschränkte Winkelakzeptanz. Der Winkelakzeptanzbereich der beiden passiven eindimensionalen Streuelemente unterscheidet sich voneinander, so dass durch einen definierten Lichteintrittswinkel ein passives eindimensionales Streuelement 6 oder 7 ausgewählt werden kann, durch welches dann das auftreffende Licht entsprechend gestreut wird.

Zudem weist die Nachführeinrichtung 4 ein Ablenkgitterelement 8, hier in Form eines Polarisationsgitterelements, auf, das zwischen dem passiven eindimensionalen Streuelement 6 und dem SLM 2 angeordnet ist. Das Ablenkgitterelement 8 lenkt definiert polarisiertes Licht entsprechend ab. Beispielsweise lenkt das Ablenkgitterelement 8 auftreffendes linkszirkular polarisiertes Licht in eine +1. Beugungsordnung und auftreffendes rechtszirkular polarisiertes Licht in eine -1. Beugungsordnung ab. Dadurch kann ein bestimmtes passives eindimensionales Streuelement 6 oder 7 ausgewählt und das Licht auf dieses gerichtet werden, das danach entsprechend gestreut wird.

Ferner weist die Nachführeinrichtung 4 ein steuerbares optisches Element 9 auf, das hier als Polarisationsumschalter ausgebildet ist. Das steuerbare optische Element 9 ist zwischen dem Ablenkgitterelement 8 und dem SLM 2 im Strahlengang der Anzeigevorrichtung angeordnet. Das steuerbare optische Element 9 in Form des Polarisationsumschalters kann angesteuert werden, um einen definierten Polarisationszustand des Lichts zu erzeugen. Beispielsweise erzeugt das steuerbare optische Element 9 je nach seinem Schaltzustand entweder linkszirkular polarisiertes Licht oder rechtszirkular polarisiertes Licht. Mit Hilfe des steuerbaren optischen Elements 9 wird somit gewählt, ob das Ablenkgitterelement 8 das Licht in die +1. Beugungsordnung oder -1. Beugungsordnung ablenkt. Die passiven eindimensionalen Streuelemente 6 und 7 sind als Volumengitter derart ausgebildet, dass der Ablenkwinkel der +1. Beugungsordnung des Ablenkgitterelements 8 innerhalb des Winkelakzeptanzbereiches eines der passiven eindimensionalen Streuelemente 6 oder 7 fällt und der Ablenkwinkel der -1. Beugungsordnung des Ablenkgitterelements 8 innerhalb des Winkelakzeptanzbereiches des anderen passiven eindimensionalen Streuelements 6 oder 7 fällt.

Mittels des Schaltzustands des steuerbaren optischen Elements 9 bzw. des Polarisationsumschalters und mit Hilfe des Ablenkgitterelements 8 wird somit eines von beiden passiven eindimensionalen Streuelementen 6 oder 7 angewählt, das jeweils das auftreffende Licht entsprechend streut, während das andere passive eindimensionale, nicht angewählte Streuelement 6 oder 7 unter Winkeln außerhalb seines Akzeptanzbereiches vom Licht durchlaufen wird, somit das Licht nicht gestreut wird.

Die Fig. 5 zeigt die Ansteuerung bzw. das Anwählen des passiven eindimensionalen Streuelements 6 in einem ersten Ansteuerzustand oder Schaltzustand des steuerbaren optischen Elements 9 in der Darstellung a), wobei in der Darstellung b) die Ansteuerung bzw. das Anwählen des passiven eindimensionalen Streuelements 6 in einem zweiten Ansteuerzustand oder Schaltzustand des steuerbaren optischen Elements 9 dargestellt ist. Um das Hologramm oder Subhologramm mit einer geeigneten Kodierungsrichtung mittels einer Einzel-Parallaxe-Kodierung in den SLM 2 zu kodieren, sind zuvor Simulationen der Erzeugung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs notwendig, um eine geeignete Kodierungsrichtung für das zu kodierende Hologramm zu bestimmen. Hierbei wird dann wie in den Darstellungen a) und b) gezeigt vorgegangen und mittels der Nachführeinrichtung 4 durch Drehung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs um seinen Mittelpunkt gemäß der Figuren 3 und 4 ermittelt, in welcher Richtung der virtuelle Sichtbarkeitsbereich den größten Flächeninhalt mit dem Auge bzw. der Pupille des Auges des Betrachters einnimmt. Dadurch wird die Kodierungsrichtung ermittelt, mit der das Hologramm oder Subhologramm dann in den SLM 2 kodiert wird, damit der Betrachter auch bei Bewegung des Auges oder der Pupille des Auges an eine andere Position den dargestellten Objektpunkt oder Szene ohne Störungen beobachten kann. Zur Simulation des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs und somit zur Ermittlung einer geeigneten Kodierungsrichtung wird in der Darstellung a) der Fig. 5 das steuerbare optische Element 9 in einen ersten Ansteuerzustand versetzt, wodurch das in Lichtrichtung erste passive eindimensionale Streuelement 6 zur Lichtstreuung angewählt wird. In diesem Fall wird ein virtueller Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene 5 erzeugt, wobei ein erzeugtes virtuelles Betrachterfenster VW in der Zeichenebene der dargestellten Fig. 5 und ein Sweet- Spot SS senkrecht zur Zeichenebene entsteht.

In der Darstellung b) der Fig. 5 wird das steuerbare optische Element 9 in einen zweiten Ansteuerzustand versetzt, wodurch das dem ersten, passiven zweidimensionalen Streuelement 6 nachfolgende zweite, passive eindimensionale Streuelement 7 zur Lichtstreuung angewählt wird. In diesem Fall wird in der Betrachterebene 5 ein virtueller Sichtbarkeitsbereich erzeugt, wobei ein erzeugtes virtuelles Betrachterfenster VW nun senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 5 und ein Sweet-Spot SS nun in der Zeichenebene entsteht. Auf diese Weise können somit die Richtungen des virtuellen Betrachterfensters VW und des Sweet-Spots SS in der Betrachterebene 5 durch Drehung um ihren Mittelpunkt verändert werden, so dass sich folglich auch die Kodierungsrichtung des Hologramms aufgrund der Projektion des virtuellen Betrachterfensters auf den SLM 2 zur Ermittlung der Größe bzw. Ausdehnung des Hologramms bzw. Subhologramm dadurch ändert.

Durch die Verwendung eines weiteren steuerbaren optischen Elements, eines weiteren Ablenkgitterelements und zwei weiteren passiven eindimensionalen Streuelementen in der Nachführeinrichtung 4 kann diese Anordnung auf vier Winkeleinstellrichtungen, d.h. horizontale, vertikale und zwei diagonale Winkeleinstellungen der Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms, erweitert werden. Ein erstes steuerbares optisches Element 9 und ein erstes Ablenkgitterelement 8 erzeugen dann zwei mögliche Ablenkwinkel, je nach Ansteuerzustand des ersten steuerbaren optischen Elements 9. Ein zweites steuerbares optisches Element kann dann zum Beispiel die Polarisation des Lichts so einstellen, dass ein zweites Ablenkgitterelement, dessen Gitterperiode sich vom ersten Ablenkgitterelement 8 unterscheidet, wiederum entweder in eine +1. Beugungsordnung oder -1. Beugungsordnung ablenkt. Es ergeben sich insgesamt vier mögliche Ablenkwinkel, Kombinationen von +1. Beugungsordnung oder -1. Beugungsordnung des ersten Ablenkgitterelements mit +1. Beugungsordnung oder -1. Beugungsordnung des zweiten Ablenkgitterelements. Die vier passiven eindimensionalen Streuelemente können jeweils als Volumengitter ausgebildet sein, die vier unterschiedliche Winkelakzeptanzbereiche aufweisen, die jeweils einem der vier Ablenkwinkel der Anordnung von steuerbaren optischen Elementen und Ablenkgitterelementen entsprechen. Es können weitere derartige optische Elemente in der Nachführeinrichtung vorgesehen werden, sollten weitere Winkelrichtungen der Kodierungsrichtung für das zu kodierende Hologramm notwendig sein.

Es ist auch möglich, dass die Nachführeinrichtung anstelle des Ablenkgitterelements wenigstens ein Umlenkelement aufweist, wie beispielsweise ein Polarisationsstrahlteilerelement, um durch Ändern der Polarisation des Lichts unterschiedliche Pfade im Lichtweg auszuwählen, wobei die Pfade jeweils ein eindimensionales passives Streuelement aufweisen. Die Streuelemente in den einzelnen Pfaden sollten hierfür unterschiedlich ausgerichtet sein. Zum Beispiel könnte ein passives Streuelement in einem ersten Pfad an einem Ausgang des Polarisationsstrahlteilerelements in horizontaler Richtung das Licht streuen, wobei ein anderes passives Streuelement in einem zweiten Pfad an einem anderen Ausgang des Polarisationsstrahlteilerelements das Licht in vertikaler Richtung streut. In diesem Fall müssen die Streuelemente nicht winkelselektiv ausgebildet sein. Durch ein zweites steuerbares optisches Element und ein zweites Polarisationsstrahlteilerelement lässt sich auch hier die Zahl der Pfade und der passiven Streuelemente auf eine Anzahl von vier erweitern.

Die Nachführeinrichtung 4 der Anzeigevorrichtung gemäß der Fig. 5 könnte anstatt des Ablenkgitterelements, des steuerbaren optischen Elements und der beiden passiven Streuelemente beispielsweise auch nur ein einzelnes passives Streuelement aufweisen, das mechanisch rotierend ausgebildet ist, um die Streurichtung des auftreffenden Lichts zu verändern. Das passive Streuelement ist dabei eindimensional ausgebildet. Beispielsweise streut das einzelne passive Streuelement in einer Richtung 20° und in einer dazu senkrechten Richtung 1 °, wobei die 20°-Richtung durch Drehen des passiven Streuelements verändert werden kann, beispielsweise von einer horizontalen Richtung zu einer vertikalen Richtung oder zu diagonalen Richtungen von +45° oder -45°. Vorteilhaft verringert sich in dieser Ausgestaltung die Zahl der benötigten optischen Komponenten, da kein Ablenkgitterelement und auch kein steuerbares optisches Element nötig sind. Jedoch wird stattdessen eine Einrichtung zur mechanischen Drehung des Streuelements benötigt.

Prinzipiell ist die Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung bestimmter Typen von Streuelementen zur Änderung der Streurichtung beschränkt. Denkbar wäre auch die Verwendung eines einzelnen elektronisch ansteuerbaren und in seiner Streurichtung veränderbaren eindimensionalen Streuelements.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue Position eines Auges oder einer Pupille eines Auges eines Betrachters ist in Fig. 6 dargestellt. Die dort dargestellte Anzeigevorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung 10 mit wenigstens einer Lichtquelle, einen SLM 20 und ein optisches System 30 auf. Die Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 10 ist hier spaltförmig oder schlitzförmig ausgebildet und beleuchtet den SLM 20 mit hinreichend kohärentem Licht. Das optische System 30 weist Abbildungselemente, hier zwei Abbildungselemente 31 und 32, auf, wobei eine spezielle Anordnung der Abbildungselemente nicht vorgesehen ist. Beispielsweise könnte auch nur ein einzelnes Abbildungselement vorgesehen sein, das in Lichtausbreitungsrichtung vor oder nach dem SLM 20 angeordnet ist. Oder es können auch mehr als zwei Abbildungselemente vorgesehen sein.

Der SLM 20 wird hier mittels des Abbildungselements 31 , das zwischen der Beleuchtungseinrichtung 10 und dem SLM 20 angeordnet ist, mit Licht beleuchtet. Mit dem weiteren, in Lichtrichtung nach dem SLM 20 angeordneten Abbildungselement 32 des optischen Systems 30 erfolgt eine Fokussierung des Lichts zu einem virtuellen Sichtbarkeitsbereich in einer Betrachterebene 50.

In der Darstellung a) der Fig. 6 ist die Erzeugung eines virtuellen Betrachterfensters VW in der Betrachterebene 50 in der Zeichenebene dargestellt. Hierbei wird die Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 10 so bewegt oder gedreht, dass die schmale bzw. kurze Seite der spaltförmigen bzw. schlitzförmigen Lichtquelle den SLM 20 beleuchtet. Die Lichtquelle ist hier zur Veranschaulichung perspektivisch eingezeichnet, um zu verdeutlichen, dass sie eine schlitzförmige Form aufweist. Genaugenommen würde die lange Seite des Schlitzes der Lichtquelle senkrecht zur Zeichenebene liegen und wäre in der Seitenansicht nicht sichtbar. Durch die kleine Ausdehnung der Lichtquelle in dieser Lichtausbreitungsrichtung entsteht nach dem folgenden Abbildungselement 31 ein sehr kleines Winkelspektrum des Lichts. Der SLM 20 wird mit im Wesentlichen parallelem Licht beleuchtet. Abgesehen von der Beugung durch die Pixel des SLM 20, die hier jedoch nicht dargestellt ist und die das virtuelle Betrachterfenster VW erzeugt, wird das von der Lichtquelle ausgesandte Licht in der Betrachterebene 50 in dieser Richtung, welcher der Kodierungsrichtung des in den SLM 20 zu kodierenden Hologramms entspricht, wieder auf einen nahezu punktförmigen Bereich fokussiert.

Zur Nachführung des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue oder andere Position des Auges oder der Pupille des Auges des Betrachters wird die Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 10 bewegt oder gedreht wie in der Darstellung b) der Fig. 6 gezeigt ist. Dabei wird die Lichtquelle derart bewegt oder gedreht, dass nun die lange Seite der spaltförmigen oder schlitzförmigen Lichtquelle den SLM 20 beleuchtet. Das Licht, das nun von verschiedenen Positionen aus der Lichtquelle ausgesandt wird und als durchgezogene, gepunktete oder gestrichelte Linien dargestellt ist, trifft dann unter unterschiedlichen Winkeln auf den SLM 20 und wird dadurch auch in der Betrachterebene 50 an verschiedenen Positionen mittels des Abbildungselements 32 abgebildet. Das Licht wird folglich in dieser Richtung gestreut. Aufgrund der Verwendung der langen Seite der spaltförmigen oder schlitzförmigen Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 10 zur Beleuchtung des SLM 20 wird somit in der Betrachterebene 50 ein Sweet-Spot SS erzeugt.

Auf diese Weise, abgesehen von der Beugung an den Pixeln des SLM 20, entsteht in der Betrachterebene 50 auch ein spaltförmiges oder schlitzförmiges Bild der spaltförmigen oder schlitzförmigen Lichtquelle mit einer kurzen Richtung, in der das virtuelle Betrachterfenster VW gebildet wird, und einer langen Richtung, in der der Sweet-Spot SS gebildet wird.

Zur Ermittlung einer geeigneten Kodierungsrichtung eines Hologramms auf dem SLM 20 wird die spaltförmige oder schlitzförmige Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 10 gedreht. Der Spalt oder Schlitz der Lichtquelle kann dann beispielsweise derart angeordnet werden, dass die lange Seite der Lichtquelle in einer horizontalen oder vertikalen Richtung oder unter einem Winkel von +45 Grad oder -45 Grad zur horizontalen Linie L gemäß Fig. 4 vorliegt und die kurze oder schmale Seite der Lichtquelle jeweils senkrecht zu dieser Richtung vorgesehen ist.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs an eine neue Position eines Auges oder einer Pupille eines Auges eines Betrachters dargestellt. Hierbei ist eine Nachführeinrichtung der Anzeigevorrichtung als Filteranordnung ausgebildet. Die Anzeigevorrichtung weist hierzu eine Beleuchtungseinrichtung 100 mit wenigstens einer Lichtquelle, einen SLM 200, ein optisches System 300 und eine Nachführeinrichtung 400 auf, die als Filteranordnung ausgebildet ist. Das optische System 300 weist wenigstens ein Abbildungselement, hier drei Abbildungselemente 301 , 302 und 303 auf. Der SLM 200 wird zur Erzeugung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs in einer Betrachterebene 500 mittels der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 100 und mit Hilfe eines Abbildungselements 301 des optischen Systems 300 beleuchtet. Ein dem SLM 200 in Lichtausbreitungsrichtung folgendes, weiteres Abbildungselement 302 fokussiert das Licht in eine Filterebene 440, in der ein Zwischenbild der Lichtquelle beziehungsweise eine Fouriertransformierte des SLM 200 erzeugt wird. Diese Filterebene 440 kann daher auch als Zwischenbildebene des Lichtquellenbildes beziehungsweise als Fourierebene des SLM 200 bezeichnet werden. Ein in Lichtrichtung nach der Filterebene 440 angeordnetes Abbildungselement 303 bildet dann diese Zwischenbildebene bzw. Fourierebene 440 in die Betrachterebene 500 ab, wodurch ein virtueller Sichtbarkeitsbereich, der durch ein virtuelles Betrachterfenster VW und einen Sweet-Spot SS gebildet wird, erzeugt wird. In der Filterebene 440 sind schematisch Beugungsordnungen, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, eingezeichnet, die durch die Pixelstruktur des SLM 200 entstehen. Die Nachführeinrichtung 400 weist eine Apertur oder Blende 401 auf, die auftreffendes Licht entsprechend herausfiltert. Das heißt, mittels der Apertur 401 in der Filterebene 440 werden bestimmte, gewünschte Beugungsordnungen durchgelassen und andere Beugungsordnungen herausgefiltert.

Zur Veranschaulichung ist die Lage der Beugungsordnungen und die Orientierung der Filterblende 401 in dieser Figur perspektivisch angedeutet. Genaugenommen liegen die horizontalen Beugungsordnungen sowie auch die lange Richtung der Filterblende 401 in der Darstellung a) der Fig. 7 senkrecht zur Schnittebene der Zeichnung.

In der Darstellung a) der Fig. 7 ist die Apertur 401 der Nachführeinrichtung 400 derart in der Anzeigevorrichtung angeordnet, dass sie in vertikaler Richtung nur eine Beugungsordnung durchlässt, jedoch in horizontaler Richtung mehrere Beugungsordnungen durchgelassen werden. In vertikaler Richtung wird auf diese Weise ein virtuelles Betrachterfenster VW erzeugt. Eine derartig angeordnete Apertur 401 kann verwendet werden für eine vertikale Kodierungsrichtung eines in den SLM 200 zu kodierendes Hologramms oder Subhologramms.

In der Darstellung b) der Fig. 7 ist die Apertur 401 in der Filterebene 440 nun derart in der Anzeigevorrichtung angeordnet, dass die Apertur 401 nun in horizontaler Richtung nur eine Beugungsordnung und in vertikaler Richtung mehrere Beugungsordnungen durchlässt. In vertikaler Richtung wird somit ein Sweet-Spot SS erzeugt. Eine derart angeordnete Apertur kann für eine horizontale Kodierungsrichtung von Hologrammen oder Subhologrammen auf dem SLM 200 verwendet werden.

Allgemein ist es nicht notwendig, dass in Sweet-Spot-Richtung eine ganze Zahl von Beugungsordnungen verwendet wird, sondern die Größe der Apertur 401 kann auch Bruchteile von Beugungsordnungen umfassen. Die Apertur 401 kann zum Beispiel eine Größe von 4,4 Beugungsordnungen aufweisen. In Kodierungsrichtung eines Hologramms oder Subhologramms sollte die Apertur 401 maximal die Größe einer Beugungsordnung aufweisen. Die Apertur 401 darf jedoch auch in ihrer Größe kleiner als eine Beugungsordnung sein. Zudem muss die Mitte der Apertur 401 nicht mit der Mitte einer Beugungsordnung übereinstimmen sondern kann relativ dazu auch versetzt sein. Die Apertur 401 kann auch so strukturiert sein, dass sie zusätzlich Artefakte, wie beispielsweise Gleichanteilspots (zero order spots), mit herausfiltert. Im einfachsten Fall kann es sich bei der Apertur 401 der Nachführeinrichtung 400 um eine mechanisch drehbare Aperturblende handeln. Die Apertur 401 könnte beispielsweise auch als eine elektrisch steuerbare Apertur ausgebildet sein, die zum Beispiel auf Flüssigkristallen (LCD - liquid crystal) basiert, und die je nach Schaltzustand Licht absorbiert oder transmittiert.

Wie bereits beschrieben, kann in bestimmten Ausführungen der Erfindung auch die Drehung der Kodierungsrichtung eines Hologramms mit einer kleinen Verschiebung des virtuellen Betrachterfensters durch Kodieren von Prismenfunktionen bzw. Prismentermen im Hologramm kombiniert werden. Bei Verwendung einer Apertur kann dies vorteilhaft erfolgen, indem die Apertur nicht nur drehbar sondern zusätzlich über einen kleinen Bereich verschiebbar ausgebildet ist, beispielsweise in Kodierungsrichtung um plus/minus eine Beugungsordnung. In der Darstellung a) der Fig. 7 würde somit die Apertur 401 zusätzlich in vertikaler Richtung verschoben. In der Darstellung b) der Fig. 7 würde die Apertur 401 zusätzlich in horizontaler Richtung verschoben, um jeweils den Überlapp des virtuellen Sichtbarkeitsbereichs, d.h. des virtuellen Betrachterfensters und des Sweet-Spots, mit der Pupille eines Auges zu verbessern.

In der Fig. 8 ist eine Pixelmatrix eines SLM dargestellt. Der SLM weist in diesem Fall, wie ersichtlich, quadratische Pixel auf. In der Darstellung a) der Fig. 8 ist nur ein derartiger SLM gezeigt, wobei in den Darstellungen b) bis e) Subhologramme mit verschiedenen Kodierungsrichtungen gezeigt sind, die gemäß der Erfindung vorgesehen sein können, um den virtuellen Sichtbarkeitsbereich einer neuen Position des Auges oder der Pupille des Auges nachzuführen. In der Darstellung b) ist ein Subhologramm mit einer vertikalen Kodierungsrichtung gezeigt, wobei das Subhologramm durch grau hinterlegte Pixel dargestellt wird. In der Darstellung c) ist ein Subhologramm mit einer horizontalen Kodierungsrichtung gezeigt. In der Darstellung d) ist ein Subologramm mit einer diagonalen Kodierungsrichtung, hier in -45 Grad Richtung, gezeigt. Und in der Darstellung e) ist ein Subologramm ebenfalls mit einer diagonalen Kodierungsrichtung gezeigt, wobei die Kodierungsrichtung des Subhologramms hier jedoch +45 Grad ist. Das Hologramm einer vorzugsweise dreidimensionalen Szene würde jeweils durch Aufsummieren der Subhologramme der einzelnen Objektpunkte berechnet, wobei alle Subhologramme die gleiche Kodierungsrichtung aufweisen.

In der Fig. 9 ist eine alternative Ausführung eines SLM dargestellt, der in einer Anzeigevorrichtung zur Nachführung eines virtuellen Sichtbarkeitsbereichs vorgesehen sein kann. Der SLM weist hier nun eine Pixelmatrix mit rechteckigen Pixeln auf. In der Darstellung a) der Fig. 9 ist nur ein derartiger SLM mit rechteckigen Pixeln gezeigt, wobei in den Darstellungen b) bis d) Subhologramme mit verschiedenen Kodierungsrichtungen gezeigt sind, die gemäß der Erfindung vorgesehen sein können, um den virtuellen Sichtbarkeitsbereich einer neuen Position des Auges oder der Pupille des Auges nachzuführen. Die Darstellung (b) zeigt eine Kodierungsrichtung eines Subhologramms, bei der die Pixel jeweils diagonal zueinander versetzt sind. Durch das Seitenverhältnis der rechteckigen Pixel ergibt sich somit ein Winkel von ungefähr 25 Grad zur horizontalen Seite des SLM. Dies zeigt, dass die Erfindung nicht auf die in Fig. 8 gezeigten Winkel der Kodierungsrichtung von horizontalem Winkel (0°), vertikalem Winkel (90°) und diagonalem Winkel (+45°; -45°) beschränkt sein sollen, sondern in diesem Fall beispielsweise auch eine Kodierungsrichtung von 25° verwendet werden könnte.

Die Darstellungen c) und d) der Fig. 9 zeigen, dass unabhängig vom Pixelraster des SLM auch Kodierungsrichtungen für ein Hologramm interpoliert werden können. In der Darstellung c) ist ein Subhologramm für eine Kodierungsrichtung von 50 Grad dargestellt. Dies wird erreicht, indem im Pixelraster des SLM immer zwei Pixel nach oben und ein Pixel nach rechts kodiert werden. In der Darstellung d) ist ein Subhologramm für eine Kodierungsrichtung von ca. 12,5° gezeigt. Dies wird hier erreicht, indem auf dem SLM immer zwei Pixel nach rechts und ein Pixel nach oben kodiert werden.

In einer solchen Anordnung lassen sich auf dem SLM auch mehr als vier Kodierungsrichtungen für ein Hologramm verwenden, wie etwa die Kodierungsrichtungen 0°, 90°, ±12,5°, ±25° und ±50°, somit in diesem Fall acht Kodierungsrichtungen, wobei wiederum diese Zahlenwerte nur Beispiele darstellen. Die verschiedenen möglichen Kodierungsrichtungen können hierbei mittels einer Nachführeinrichtung gemäß den Figuren 5, 6 oder 7, die die entsprechenden Winkeleinstellungen erlauben, erzielt werden. Das bedeutet, mit dem wenigstens einen optischen Element in Form eines Streuelements oder mit wenigstens einem passiven Streuelement oder mit einer Filteranordnung als Nachführeinrichtung oder mit wenigstens einer Lichtquelle als Nachführeinrichtung sollte beispielsweise ein Winkel für die Kodierungsrichtung von 25° gemäß der Darstellung b) der Fig. 9 einstellbar sein, damit diese spezifische Nachführeinrichtung gemäß den Figuren 5, 6 oder 7 genutzt werden kann. Der eben genannte Winkel soll nur als Beispiel und zur Erläuterung dienen.

Bei Verwendung eines Streuelements entspricht die Streurichtung des Lichts oder bei Verwendung einer schlitzförmigen Lichtquelle der langen Seite der schlitzförmigen Lichtquelle oder bei Verwendung einer Apertur entspricht die lange Seite der Apertur in einer Filterebene der Anzeigevorrichtung jeweils der Sweet-Spot-Richtung. Die nicht-streuende Richtung oder die kurze Seite einer schlitzförmigen Lichtquelle oder die kurze Seite einer Apertur in der Filterebene entspricht der Kodierungsrichtung. Umgekehrt weisen die Subhologramme in Kodierungsrichtung eine Ausdehnung von mehreren Pixeln auf, senkrecht zur Kodierungsrichtung aber üblicherweise nur eine Ausdehnung von einem Pixel. Die lange Seite des Subhologramms zeigt folglich in Kodierungsrichtung und die kurze Seite des Sughologramm zeigt senkrecht zur Kodierungsrichtung.

Mit anderen Worten, die Streurichtung des Lichts, die lange Seite der Lichtquelle oder die lange Seite der Filterblende stehen jeweils senkrecht auf der langen Seite des Subhologramms.

Gemäß Fig. 10 wird nun ein Aufbau eines steuerbaren optischen Elements einer Nachführeinrichtung, die beispielsweise die Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 5 aufweisen könnte, beschrieben. Die Erfindung soll jedoch nicht auf ein derartig aufgebautes steuerbares optisches Element beschränkt sein. Ein steuerbares optisches Element der Nachführeinrichtung kann somit auch einen anderen Aufbau, der eine Steuerbarkeit oder Schaltbarkeit gewährleistet, aufweisen.

Ein steuerbares optisches Element 70 weist zwei Substrate 71 und 72 auf. Die beiden Substrate 71 und 72 sind zusammengefügt, wobei sich zwischen den beiden Substraten 71 und 72 Zwischenraum befindet, der mit einer Flüssigkristalle LC aufweisenden Flüssigkristallschicht 73 gefüllt ist bzw. in die eine Flüssigkristallschicht 73 eingebettet ist. Wenigstens ein Substrat, hier das Substrat 71 , weist zudem eine Oberflächenstruktur 74 auf. Das Flüssigkristallmaterial ist doppelbrechend und weist einen ersten Brechungsindex auf, beispielsweise den ordentlichen Brechungsindex, der mit dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur 74 im Wesentlichen identisch ist. Beispielsweise weisen beide, der Flüssigkristall LC und die Oberflächenstruktur 74 einen Brechungsindex von n = 1 ,5 auf. Der doppelbrechende Flüssigkristall LC weist zudem einen zweiten Brechungsindex auf, beispielsweise den außerordentlichen Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur 74 unterscheidet. Beispielsweise weist der Flüssigkristall LC einen außerordentlichen Brechungsindex von n = 1 ,7 auf, wohingegen der Brechungsindex der Oberflächenstruktur 74 n = 1 ,5 beträgt.

Die Oberflächenstruktur 74 ist hier insbesondere eine eindimensionale statistische Oberflächenstruktur, die beispielsweise in eine Polymerschicht, die auf dem Substrat 71 aufgebracht ist , eingeprägt ist. Bevorzugt weist nur ein Substrat eine Oberflächenstruktur 74 auf, wobei das andere Substrat flach ausgebildet ist. Das bedeutet nun hier, dass das Substrat 71 die Oberflächenstruktur 74 aufweist und das Substrat 72 flach bzw. eben ausgebildet ist. Das Substrat 72 wird durch seine flache Ausführung für die Ausrichtung der Flüssigkristalle LC in der Flüssigkristallschicht 73 verwendet. Das bedeutet, auf diesem Substrat 72 werden die Flüssigkristalle LC orientiert. Beispielsweise werden die Flüssigkristalle LC durch Rubbing oder Photoalignment entsprechend ausgerichtet.

Durch die Wahl der Oberflächenstruktur 74, d.h. Breite, Höhe, statistische Verteilung der Oberflächenstruktur 74, wird eine Lichtstreucharakteristik des steuerbaren optischen Elements 70 vorgegeben. Die Oberflächenstruktur 74 kann beispielsweise ähnlich wie ein Oberflächenreliefgitter (surface relief grating) oder ein Blaze-Gitter (blazed grating) ausgebildet sein, wobei jedoch im Gegensatz zu herkömmlichen Gitterelementen die Gitterperiode und/oder der Blaze-Winkel mit der Position auf dem Substrat 71 zufällig variiert werden kann, so dass keine regelmäßigen Beugungsordnungen entstehen, sondern stattdessen Licht über einen vorgegebenen Winkelbereich gestreut wird. Der Streuwinkel kann dann beispielsweise über einen Bereich, d.h. über eine minimale und eine maximale Gitterperiode, und über eine Häufigkeit verschiedener Gitterperioden eingestellt werden und/oder über einen Bereich und einer Verteilung von Blaze-Winkeln. Es kann sich bei der Oberflächenstruktur 74 auch um ein unregelmäßiges Höhenprofil handeln, dessen Breite und Höhe zufällig mit der Position auf dem Substrat 71 variiert wird.

Die beiden Substrate 71 und 72 weisen zudem jede eine Elektrodenanordnung 75 und 76 auf. Das Substrat 71 weist die Elektrodenanordnung 75 auf, die wenigstens eine Elektrode aufweist. Das Substrat 72 weist die Elektrodenabordnung 76 auf, die ebenfalls wenigstens eine Elektrode aufweist. Die Elektroden der Elektrodenanordnungen 75 und 76 können flächig ausgebildet, d.h. nicht pixeliert, sein. Die wenigstens eine Elektrode der Elektrodenanordnung 75 ist in diesem Fall auf der Rückseite der statistischen Oberflächenstruktur 74, d.h. zwischen der Oberflächenstruktur 74 und dem Substrat 71 , vorgesehen, um einen gleichmäßigen Feldverlauf zu erzeugen.

Durch Verwendung eines Polarisationselements in Lichtausbreitungsrichtung vor dem steuerbaren optischen Element 70 in der Anzeigevorrichtung oder durch im Lichtweg bereits zuvor polarisiertes Licht, beispielsweise unter Verwendung einer Lichtquelle, die polarisiertes Licht abstrahlt, trifft eingangsseitig polarisiertes Licht auf das steuerbare optische Element 70. Der Flüssigkristall LC der Flüssigkristallschicht 73 wird dabei mittels des Substrats 72 so orientiert, beispielsweise durch Rubbing oder Photoalignment, dass in einem Ansteuerzustand oder Schaltzustand des steuerbaren optischen Elements 70, wenn kein elektrisches Feld an den Elektrodenanordnungen 75 und 76 anliegt, für das einfallende Licht effektiv der Brechungsindex des Flüssigkristalls LC wirkt, der sich von dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur 74 unterscheidet. In diesem Zustand ist die statistische Oberflächenstruktur 74 optisch sichtbar. Die Oberflächenstruktur 74 bewirkt dann eine streuende Wirkung des Lichts. Dies ist in der Darstellung a) der Fig. 10 dargestellt.

In einem anderen Ansteuerzustand oder Schaltzustand des steuerbaren optischen Elements 70, wenn ein hinreichend großes elektrisches Feld an den Elektrodenanordnungen 75 und 76 anliegt, wirkt effektiv der Brechungsindex des Flüssigkristalls LC, der mit dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur 74 übereinstimmt. Dies ist in der Darstellung b) der Fig. 10 dargestellt. In diesem Ansteuerzustand des steuerbaren optischen Elements 70 wird aufgrund des gleichen Brechungsindex von der Oberflächenstruktur 74 und des Flüssigkristalls LC die statistische Oberflächenstruktur 74 optisch unsichtbar. Die Oberflächenstruktur 74 und der Flüssigkristall LC wirken dabei wie eine planparallele Platte. Es wird somit kein Licht nach dem steuerbaren optischen Element 70 gestreut.

Beispielsweise kann die Ausrichtung des Flüssigkristalls LC einem ECB- (electrically controlled birefringence) Mode entsprechen. Bei ausgeschalteter angelegter Spannung, d.h. ohne anliegendem elektrischen Feld, an die Elektrodenanordnungen 75, 76 sind die Flüssigkristall-Moleküle in der Ebene des Substrats 72 orientiert, wie in der Darstellung a) gezeigt. Bei eingeschalteter angelegter Spannung, d.h. bei vorliegendem elektrischen Feld zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnungen 75, 76, sind die Flüssigkristall- Moleküle senkrecht zur Ebene des Substrats 72 orientiert, wie in der Darstellung b) gezeigt. Die Erfindung soll jedoch nicht auf diese Anordnung der Flüssigkristall-Moleküle beschränkt sein. Es können auch anderen Orientierungen der Flüssigkristall-Moleküle vorliegen, beispielsweise ein VA-(vertical alignment) Mode, bei dem die Flüssigkristall-Moleküle ohne angelegter Spannung senkrecht zur Ebene des Substrats 72 orientiert sind und mit angelegter Spannung, d.h. bei vorliegendem elektrischen Feld zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnungen 75, 76, sind die Flüssigkristall-Moleküle parallel zur Ebene des Substrats 72 orientiert.

Bei Vorhandensein von mehreren steuerbaren optischen Elementen in einer Nachführeinrichtung in einer Anzeigevorrichtung können diese derart angeordnet sein, dass deren statistische Oberflächenstrukturen jeweils eine unterschiedliche Ausrichtung aufweisen. Beispielsweise können identisch ausgebildete steuerbare optische Elemente um 90 Grad zueinander gedreht angeordnet sein. Liegt dann beispielsweise an einem in Lichtausbreitungsrichtung nach dem SLM ersten steuerbaren optischen Element eine Spannung an und an einem nachfolgenden zweiten steuerbaren optischen Element keine Spannung an, so wird das auftreffende Licht in eine erste Richtung gestreut. Liegt umgekehrt an dem ersten steuerbaren optischen Element keine Spannung an, dafür jedoch an dem zweiten steuerbaren optischen Element eine Spannung, so wird das einfallende Licht in eine zweite, von der ersten Richtung unterschiedliche Richtung gestreut.

Im Allgemeinen ist es mit einer Kombination von mehreren steuerbaren optischen Elementen, d.h. wenigstens zwei steuerbare optische Elemente, auch möglich, zwischen einer eindimensionalen Streuung und einer zweidimensionalen Streuung umzuschalten oder zwischen einem streuenden und einem nicht-streuenden Zustand zu wählen.

Die Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Abschließend sei noch ganz besonders darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, sich diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränken soll.

Claims

Patentansprüche

1. Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen, mit

- wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht,

- wenigstens einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, in die mittels einer Einzel-Parallaxe-Kodierung ein Hologramm kodiert ist,

- wenigstens einem optischen System, wobei das wenigstens eine optische System zur Erzeugung wenigstens eines virtuellen Sichtbarkeitsbereich am Ort eines Auges eines Betrachters vorgesehen ist, und

einer Nachführeinrichtung, wobei mittels der Nachführeinrichtung die Kodierungsrichtung des Hologramms auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung veränderbar ist.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine virtuelle Sichtbarkeitsbereich aus einem virtuellen Betrachterfenster und einem Sweet- Spot gebildet ist, wobei das virtuelle Betrachterfenster in Kodierungsrichtung des Hologramms und der Sweet-Spot in Nicht-Kodierungsrichtung des Hologramms vorgesehen ist.

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Kodierungsrichtung des Hologramms zwischen wenigstens zwei Richtungen veränderbar ist.

4. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Positionsdetektionssystem vorgesehen ist, mit dem die Position eines Auges, insbesondere einer Augenpupille, eines Betrachters der Szene ermittelbar ist.

5. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführeinrichtung wenigstens ein steuerbares optisches Element aufweist, das zwischen der wenigstens einen Beleuchtungseinrichtung und einer Betrachterebene, in der sich ein Betrachter der Szene befindet, angeordnet ist.

6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine steuerbare optische Element als Polarisationsumschalter ausgebildet ist, wobei die Nachführeinrichtung wenigstens ein passives Ablenkgitterelement, vorzugsweise ein Polarisationsgitterelement, und wenigstens zwei passive Streuelemente aufweist, die in nur einer Richtung auftreffendes Licht streuen, wobei das passive Ablenkgitterelement und die wenigstens zwei passiven Streuelemente in Kombination mit dem Polarisationsumschalter wirken.

7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei passiven Streuelemente als Volumengitter ausgebildet sind, wobei die wenigstens zwei passiven Streuelemente eine unterschiedliche Winkelselektivität aufweisen.

8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine steuerbare optische Element als Polarisationsumschalter ausgebildet ist, wobei die Nachführeinrichtung wenigstens ein Umlenkelement, vorzugsweise ein Polarisationsstrahlteilerelement, und wenigstens zwei passive Streuelemente aufweist, die in nur jeweils einer Richtung auftreffendes Licht streuen, wobei mittels des steuerbaren optischen Elements und des Umlenkelements einer von wenigstens zwei unterschiedlichen Lichtpfaden auswählbar ist und jeweils ein Streuelement in jedem der unterschiedlichen Lichtpfade vorgesehen ist.

9. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführeinrichtung ein passives Streuelement aufweist, das rotierend ausgebildet ist.

10. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführeinrichtung wenigstens zwei steuerbare optische Elemente aufweist.

1 1. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine steuerbare optische Element oder die wenigstens zwei steuerbaren optischen Elemente als Streuelement(e) ausgebildet ist/sind, wobei das wenigstens eine steuerbare optische Element auftreffendes Licht in nur einer Richtung streut, wobei die wenigstens zwei steuerbaren optischen Elemente auftreffendes Licht in jeweils einer unterschiedlichen Richtung streuen.

12. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes steuerbares optisches Element auftreffendes Licht in einer vorgegebenen ersten Richtung streut, wobei ein zweites steuerbares optisches Element auftreffendes Licht in einer vorgegebenen zweiten Richtung streut, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung verschieden sind.

13. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch entsprechendes Ansteuern des ersten steuerbaren optischen Elements und des zweiten steuerbaren optischen Elements die Kodierungsrichtung des Hologramms bestimmbar ist.

14. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine steuerbare optische Element zwei Substrate aufweist, zwischen denen eine Flüssigkristallschicht eingebettet ist.

15. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Substrat des wenigstens einen steuerbaren optischen Elements eine eindimensionale Oberflächenstruktur aufweist.

16. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Gitterperiode aufweist, die mit der Position auf dem Substrat zufällig variiert.

17. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate des wenigstens einen steuerbaren optischen Elements jeweils eine Elektrodenanordnung aufweisen, wobei die jeweilige Elektrodenanordnung wenigstens eine Elektrode aufweist.

18. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das, dem Substrat mit der Oberflächenstruktur gegenüberliegende Substrat zur Ausrichtung von Flüssigkristallen in der Flüssigkristallschicht vorgesehen ist.

19. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkristallmaterial der Flüssigkristallschicht einen ersten Brechungsindex und einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei der erste Brechungsindex im Wesentlichen dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur entspricht, wobei der zweite Brechungsindex im Wesentlichen verschieden zu dem Brechungsindex der Oberflächenstruktur ist.

20. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von mehreren steuerbaren optischen Elementen, bei denen wenigstens ein Substrat eine eindimensionale Oberflächenstruktur aufweist, im Strahlengang diese steuerbaren optischen Elemente derart im Strahlengang angeordnet sind, dass die auf wenigstens einem Substrat vorgesehenen eindimensionalen Oberflächenstrukturen der einzelnen steuerbaren optischen Elemente jeweils eine unterschiedliche Ausrichtung zueinander aufweisen.

21. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die

Oberflächenstrukturen der steuerbaren optischen Elemente in einem Winkel von ca. 90° zueinander angeordnet sind.

22. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Polarisationselement in Lichtausbreitungsrichtung vor dem wenigstens einen steuerbaren optischen Element vorgesehen ist.

23. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführeinrichtung als Filteranordnung ausgebildet ist, die zum Eliminieren von Beugungsordnungen vorgesehen ist.

24. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die

Filteranordnung steuerbar ausgebildet ist.

25. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Lichtquelle der wenigstens einen Beleuchtungseinrichtung als die Nachführeinrichtung ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Lichtquelle zur Veränderung der Kohärenzeigenschaft des auszusendenden Lichts steuerbar ausgeführt ist.

26. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung als holographische Anzeigevorrichtung ausgebildet ist.

27. Head-Mounted-Display, aufweisend für ein linkes Auge eines Betrachters und für ein rechtes Auge eines Betrachters jeweils eine Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26.

28. Verfahren zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen, mittels wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht, wenigstens einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, wenigstens einem optischen System, einer Nachführeinrichtung und einem Positionsdetektionssystem, wobei

- das Positionsdetektionssystem eine Position eines Auges eines Betrachters ermittelt,

- mit dem wenigstens einen optischen System und der Nachführeinrichtung eine geeignete Kodierungsrichtung eines Hologramms auf der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ermittelt wird, - in die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung mittels einer Einzel- Parallaxe-Kodierung ein Hologramm in der ermittelten Kodierungsrichtung kodiert wird, und

- die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung durch die wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird und das Hologramm mittels des wenigstens einen optischen Systems rekonstruiert und wenigstens ein virtueller Sichtbarkeitsbereich am Ort des Auges eines Betrachters erzeugt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass für das zu kodierende Hologramm diejenige Kodierungsrichtung als geeignet gewählt wird, bei der der virtuelle

Sichtbarkeitsbereich den größten Flächenanteil mit einer Augenpupille des Betrachters einnimmt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass bei Änderung der Augenposition des Betrachters die neue Augenposition mit dem Positionsdetektionssystem ermittelt wird, zum Auswählen einer geeigneten

Kodierungsrichtung für das zu kodierende Hologramm der virtuelle Sichtbarkeitsbereich um seinen festen Mittelpunkt gedreht und ermittelt wird, in welcher Richtung der virtuelle Sichtbarkeitsbereich den größten Flächenanteil mit dem Bereich der Augenpupille des Betrachters einnimmt.