WO2013030013A1 - Illumination device of a holographic display - Google Patents
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- WO2013030013A1 WO2013030013A1 PCT/EP2012/066089 EP2012066089W WO2013030013A1 WO 2013030013 A1 WO2013030013 A1 WO 2013030013A1 EP 2012066089 W EP2012066089 W EP 2012066089W WO 2013030013 A1 WO2013030013 A1 WO 2013030013A1
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Definitions
- the invention relates to a lighting device comprising an array of light sources for a holographic display comprising at least imaging elements and a controllable spatial light modulator into which a 3D scene to be reconstructed is encoded, which can be perceived as lighter in a visibility region than with a comparable one
- the invention also includes a holographic display comprising the lighting device according to the invention.
- Field of application of the illumination device according to the invention are not only holographic displays but also arrangements for beam shaping or beam deflection of light.
- the applicant WO 2004/044659 discloses a holographic display for reconstructing a 3D scene with a viewer window, which can also be referred to as a visibility area.
- the holographic display has a
- Lighting device with a light source, an imaging means and at least one controllable spatial light modulator (SLM), which is to be illuminated with sufficiently coherent light.
- SLM controllable spatial light modulator
- a 3D scene may be written into the controllable spatial light modulator as a hologram.
- the 3D scene is computationally decomposed into many object points and sub-holograms calculated for the individual object points, their amplitude and / or phase values added up and written into the controllable spatial light modulator as hologram values become.
- the coded amplitude or phase values modulate the light which is guided as the wavefront of the 3D scene onto observer eyes, with which the generated reconstruction of the 3D scene in a visibility region can be perceived.
- the brightness with which the reconstruction of a 3D scene is perceptible to a viewer depends, among other things, on how much light intensity reaches the visibility area.
- the transmission of the spatial light modulator has an influence as well as the properties of the imaging elements of the lighting device or in the holographic display.
- this brightness can be changed by changing the intensity of the light sources in the lighting device.
- the brightness of the reconstruction can also be used for displaced eye positions within be perceived differently in the visibility region, for example, if the intensity of the reconstructed object points not with a predetermined target intensity of the reconstructed object points at different positions within the visibility range for
- tracking devices with which a visibility range for eye pupils of at least one observer can be provided or generated in front of a display during its position change, are known e.g. from WO 2008/142108 A1 (electrowetting tracking) or, for example, WO 2006/119920 A1 (Lichtttlentracking) known. Providing the visibility area at different positions of eye pupils is often referred to as "shifting" the visibility area.
- This can also be referred to as "moving" light sources to a new position, an example of which is a lighting device comprising at least one light source and a controllable spatial light modulator with a light source
- Pixel matrix has.
- the pixels of the controllable light modulator which is referred to as a shutter display, can be switched on in rows and / or columns so that they are transparent to incoming light and secondary row and / or columnar
- Form light sources With the intensity of the light source images of the secondary light sources, a reconstruction can be generated which can be seen with a certain brightness. If the reconstruction is to be seen brighter, the intensity of the primary light sources must be increased.
- a shape of a light source is understood here to be approximately a punctiform or a line-shaped light source.
- an SLM can be most efficiently illuminated with a lenticular of cylindrical lenses.
- an SLM can be most effectively illuminated with a lens array of spherical lenses.
- Linear light sources are preferably used in combination with a single-parallax coding, referred to below as 1-D coding.
- Point-shaped light sources are preferably used with a full-parallax coding, in Following 2D-coding called.
- Creating the reconstruction of a 3D scene with a holographic display is e.g. from WO 2004/044659 (A2), and is shown in simplified form in FIG. 1 on the basis of an object point which is to represent a part of a 3D scene.
- A2 WO 2004/044659
- the holographic display can be used e.g. a single light source and a large-sized lens, or a light source array and an array of imaging elements.
- the light modulated in the controllable light modulator reconstructions of the 3D scene and visibility regions in a viewer plane are generated in periodic continuation.
- the reconstruction of the 3D scene is with eye pupils in a visibility area
- the perceptible which is determined within a single diffraction order in the observer level. Normally the diffraction order with the highest intensity is selected, ie the 0th diffraction order, so that the reconstruction is visible with a brightness corresponding to this intensity.
- an almost coherent light bundle of a light source LQ switched on per imaging element AE illuminates a spatial light modulator ME, the light being diffracted by the pixel matrix.
- a hologram SH of an object point O OP is encoded, which the modulated light reconstructs in the viewer's space.
- a visibility range VW the reconstruction is seen at the position of an eye pupil AP having a brightness that depends on the intensity of the modulated light of the light source.
- the visibility range is in
- Intensity maximum of the 0th diffraction order with which the reconstruction of the object point 0 OP is generated. Its reconstruction continues periodically in the viewer's room with lower intensities, the same applies to the continuation of the diffraction orders of the light source in the observer plane.
- the object points +1 OP and -1 OP generated with lower intensities of the + - 1st diffraction orders, which are shown with lower line width, are in the
- the object points +1 OP and -1 PO would be seen with a lower brightness, if the eye pupil in the observer plane in the +1. or -1. Diffraction order would be positioned.
- the diffraction orders are shown in the viewer plane in Fig. 1 with double arrows.
- Diffraction orders are generally determined by the transmission curve in the pixels, that is to say by the pixel aperture and by a possible change in the transmission in the aperture, even if the transmission characteristics of the pixels of the SLM are determined, for example.
- intensities of at least one further order of diffraction greater than zero can generally still be present.
- Cosine function apodized pixels can be e.g.
- Diffraction orders are reduced, whereby the brightness with which the reconstruction is visible, is also reduced.
- the contrast can also be reduced, as a result of which details such as, for example, brightness gradients in the reconstruction are not easily recognizable.
- the intensity in the visibility area should be as large as possible for the object points of a 3D scene to be reconstructed.
- the intensity already decreases towards the edge of the central diffraction order e.g. the brightness of the reconstruction are perceived differently, e.g. also deviating from a predetermined target intensity of the object points when the position of the observer's eye is moved within the visibility range.
- Visibility range is brought into agreement with the position of an eye pupil. Due to inaccuracies of the tracking or by very fast eye movements but may occur the case that a viewer eye briefly outside the center of the
- Illumination devices for holographic displays for generating reconstructions of three-dimensional scenes can have controllable light sources which can emit light variably up to a maximum possible intensity. Do you want the brightness of
- Reconstructions e.g. With light sources of higher intensity, components in the holographic display can be affected by high heat development in their proper use.
- the invention is based on a lighting device with a light source array for a holographic display, which has a controllable spatial light modulator in which a 3D scene is inscribed, and imaging elements each having a number of switchable light sources whose diffraction orders are repeated periodically in a viewer plane a diffraction order with an intensity maximum as
- the light sources are switched on with controls of control systems depending on positions of the eye pupil.
- the object is achieved by the lighting device according to patent claim 1 and / or by the fact that at least two light sources are activated for each imaging element, which generate a visibility range with intensities of superimposed diffraction orders, which results in a total intensity of an overlay of one
- einakiden light sources can be specified.
- Light sources are superimposed when the light sources are controllably turned on at predetermined intervals. Likewise, with these intensities, reconstructions can be generated and superimposed at the same location, whereby superimposed intensities result in a superimposed reconstruction, which with an increased brightness in the visibility range
- the visibility area shows the overall intensity of the superimposed intensities.
- controllable spatial light modulator can be generated with variable distances or angles of emission of light sources to be switched on.
- Control systems of the invention include, for example, control elements that are set up according to the invention in such a way that light sources with a predefinable number, or / and predefinable Distances or adjustable radiation angles can be activated or deactivated, that is to say switched on or off, the from the position of the to be generated
- Eye pupil is specifiable.
- Lighting device can be generated at changing positions a visibility area in which a generated reconstruction is perceptible.
- the light sources switched to an imaging element may be at a distance from one another, with which the intensity maxima of the diffraction orders of the light source images are offset by an integer multiple of the interval of a diffraction order to the intensity maximum of the visibility region, wherein the interval is an integer greater than or equal to 1.
- the distance of at least two light sources which can be activated to form an imaging element corresponds on the illumination side to the integer multiple of the distance from
- the lighting device may have light sources whose distances from the
- Generating the visibility range depending on a 1 D or 2D encoding of the 3D scene in the vertical or / and horizontal direction are driven variable switched on.
- At least three light sources per imaging element can be controllably switched on, wherein the intensity maximum of the visibility region can be overlaid with an additional intensity component of at least two additionally switched on light sources, wherein the additional intensity component superimposed intensities of a part of a diffraction order or the entire diffraction order and the same Part of at least one other diffraction order or the entire diffraction order has.
- the intensity maximum of each one light source preferably the 0th diffraction order, is in the present embodiment as
- a further embodiment of the illumination device can be an overall intensity of a visibility zone for a viewer plane with a programmed one
- Be predetermined far field diffraction pattern for the light sources per imaging element with a programmed start pattern of controls are switched on controllable.
- an illumination device can have real or virtual light sources which can be actuated or deactivated in a controllable manner and which can be arranged in a matrix.
- the light propagation of the switched-on light sources can be controlled at least one-dimensionally in the horizontal or vertical direction, the 3D scene being coded at least one-dimensionally horizontally or vertically.
- the invention further comprises a holographic display comprising a lighting device according to one of claims 1 to 8.
- the holographic display has a matrix of light sources, as well as imaging elements and a controllable spatial
- Light modulator in which a 3D scene is inscribed, the generated reconstruction is visible in a visibility area having intensities of at least two different diffraction orders, which form by overlapping a total intensity with which a reconstruction of the 3D scene from at least two superimposed reconstructions can be generated wherein, when changing the position of eye pupils with control systems, the position of the visibility region is variable with a number of variably predefinable activatable light sources per imaging element.
- the holographic display can furthermore be configured in such a way that the light sources can be switched on and off in variable manner with distances and / or emission angles, wherein the control of light sources in relation to a respective position of eye pupils in any observer plane before the controllable spatial light modulator for generating a respective visibility range he follows.
- the visibility regions are usually producible in different viewing planes within a predefined depth range or a distance range from the controllable spatial light modulator or from the holographic display, which can be, for example, between 70 and 120 cm.
- the pitch of the diffraction orders in the observer plane is normally proportional to the reciprocal of the pixel pitch
- Pixel matrix Furthermore, the distance of the diffraction orders to each other is proportional to the distance between the observer plane and light modulator.
- Reconstructing the 3D scene or an object point as small as possible is the size the visibility range within a diffraction order given slightly larger than the diameter of an eye pupil.
- the pixel pitch of the light modulator is usually selected according to these requirements, ie the size of the visibility range.
- the pixel pitch of the pixel matrix should be, for example, a value between 30 ⁇ and 50 ⁇ .
- the holographic display can have a lenticular array with imaging elements, to each of which light sources can be assigned, which can be variably activated to generate the visibility area, wherein a 3D scene in the controllable spatial light modulator is preferably coded one-dimensionally.
- the holographic display can also have a two-dimensional arrangement of spherical imaging elements which can each be associated with light sources which can be variably activated to generate the visibility region, wherein a 3D scene in the controllable spatial light modulator is preferably written two-dimensionally coded.
- a further embodiment of a holographic display can contain a lighting device whose light sources can be switched on at different positions and / or with different radiation angles for different wavelengths of the light used for the reconstruction of the 3D scene.
- a light source can be regarded as sufficiently coherent if its light is spatially coherent so far that it is capable of interfering, so that at least one one-dimensional or two-dimensional holographic reconstruction can have a sufficiently high resolution.
- These requirements also meet conventional light sources whose light radiates through a sufficiently narrow gap.
- a line-shaped light source can be considered perpendicular to its length as a point. The light is then coherent in this direction and incoherent perpendicular to it. To ensure temporal coherence, the spectrum of the light source must be sufficiently narrowband.
- the color information can be monochromatically, time-sequentially or spatially divided into spectral components by filter means.
- Matrix-arranged, electronically controllable pixels in which e.g. a hologram of the 3D scene or of an object point can be coded, modulate the amplitude and / or phase of the interference-capable light when triggered.
- a holographic display for the reconstruction of a colored 3d scene Red, green and blue light sources use time-sequential red, green and blue holograms.
- the invention can be applied to such a display by mutatis mutandis for each individual color, the intensities of diffraction orders of multiple light sources of this color are superimposed.
- the invention may e.g. be used in a holographic display in which the
- Light sources based on one imaging element, for changing positions of
- 1 is a plan view of a simplified representation of a part of a 3D
- FIG. 2 is a plan view of a simplified representation of a part of a 3D
- 2a shows an embodiment for generating diffraction orders of two
- 2b shows an embodiment of the reconstruction of an object point, with a
- FIG. 3 shows a diagram of superimposed intensity profiles in a visibility region which has superimposed diffraction orders of three light sources, according to the invention
- FIG. 4 shows an embodiment of a reconstruction of a part of a 3D scene which is coded with a Burckhardt hologram
- FIGS. 1 to 5 the same components have been designated by the same reference numerals.
- the embodiments of the invention described below relate to
- Lighting devices may have real or virtual light sources, which may also be secondary light sources.
- Secondary light sources are, for example, controllable apertures of a shutter display, which e.g. be illuminated with an array of conventional light sources.
- a real approximately punctiform light source can be
- the invention makes use of the diffraction of light at a matrix of openings, which may be a controllable light modulator in a lighting device, wherein intensities of
- Diffraction orders are repeated periodically in a viewer plane.
- an intensity maximum of a diffraction order of a first light source is set as the visibility range.
- the size of a visibility area is defined by the pixel pitch p of the controllable spatial light modulator used, by the wavelength ⁇ of the light used and by the distance D of the eye position of a viewer to the pixels of the pixel matrix of FIG
- the invention is based on the idea with a lighting device a
- the positions of the light sources relative to one another can be variably switched on by control elements in order to generate a visibility region at predetermined positions of eye pupils in different observer planes.
- at least two light sources can be controllably switched on, whose diffraction orders in the visibility region have an overall intensity which consists of a superposition of at least two different intensities.
- These intensities may be the intensity maximum of a diffraction order of a first light source and the intensity maximum / the intensity maxima of at least one other
- the intensities of further diffraction orders of switched-on light sources are to be superimposed in each case with the intensity maximum of the visibility range. Since intensities of at least two diffraction orders can be superimposed to form a total intensity in the visibility range, at least two reconstructions of the 3D scene produced at the same location with different intensities can be superimposed on a reconstruction. This reconstruction can be perceived with a brightness equal to the total intensity overlaid intensities in the visibility range.
- Brightness is generally understood to mean the intensity of the radiation acting on an observer. Brightness is the perception of the intensity of light.
- a so-called light source tracking can be performed three-dimensionally.
- a reconstruction of a 3D scene can be seen by multiple viewers when reconstructions e.g. can be generated sequentially for observer eyes of different observers.
- the observers should stay in one area or in different levels of a viewer's room whose size can be specified by technical parameters of a holographic display.
- the invention is also applicable to other tracking methods, e.g. for imaging elements, which should lead with Elektrowettingzellen light to eye pupils.
- Embodiments of the lighting device according to the invention will be described in more detail according to the representations of Figures 2 to 5.
- Diffraction order of a first light source should always be usable as a visibility area.
- a lighting device should be executable, for example, with real or virtual light sources, wherein the number of light sources LQ, LQ1 to LQn may be per imaging element. Instead of a reconstructed 3D scene, a single reconstructed one is schematically illustrated
- Object point shown in the figures The reconstruction of an object point is also to be understood in the description as a reconstruction of a 3D scene.
- FIG. 2 shows a top view of a lighting device with light sources LQ1, LQ2 and LQ3 switched on, as well as an imaging element AE and a visibility region VW.
- An object point OP2 which is intended to represent a part of a 3D scene by way of example, is coded in at least one area of a controllable spatial light modulator ME with a hologram SH.
- the light modulator and the light sources LQ1, LQ2, LQ3 are connected to controls CE which are controllable by control systems. For example, three light sources LQ1, LQ2, LQ3 are turned on, which when activated with a
- Imaging element AE to be imaged in a viewer plane in which modulated light continues with diffraction orders of the three light sources with periodic repetitions.
- the light sources LQ1, LQ2 and LQ3 have positions with each other, with which the
- Intensities of the diffraction orders of these light sources can form overlays.
- the visibility range is normally specified, since this diffraction order has the highest intensity (the intensity maximum).
- the intensities -1 LQ1 of the minus first diffraction order of the light source LQ1 and +1 LQ3, plus the first diffraction order of the light source LQ3 are superimposed in the visibility range with the intensity 0 LQ2 zeroth diffraction order of the light source LQ2 to a total intensity.
- the superimposition of the intensities of the three light sources continues in further diffraction orders outside the visibility range in the observer plane.
- the intensity maximum of the 0th diffraction order of the light source LQ2 becomes +1.
- the periodic repetitions of the intensities of diffraction orders occur both with respect to the observer plane and the reconstruction of the object point, e.g. in the form of the object points OP1, OP3. Be per imaging element, the positions or angles of a number einzaltender
- a reconstruction of the object point OP2 therefore has three superimposed superimposed reconstructions, one reconstruction of each light source LQ1, LQ2 and LQ3, which can be generated at different intensities at the same location. The same applies to other object points of a 3D scene OP1 and OP3.
- the eye pupil AP can perceive a reconstruction of a 3D scene with a corresponding brightness in the visibility region that corresponds to the overall intensity of the superimposed reconstructions.
- calculated hologram of a 3D scene is encoded with complex values and in which the reconstruction of the 3D scene has overlays of three reconstructions.
- the thus reconstructed 3D scene is perceptible with a brightness in the visibility range which corresponds to the superimposed total intensity in the visibility range.
- FIG. 2 a shows two switched on light sources LQ 1, LQ 2 and one imaging element AE, with the light sources LQ1, LQ2 are imaged in an imaging plane, wherein the light is diffracted at a matrix G1 of regularly aligned openings, so that
- the matrix G1 acts like a diffraction grating with a multiplicity of openings, which in their arrangement correspond to a pixel structure of an SLM in which no complex values of a 3D scene
- the light sources are at a predeterminable distance from each other and / or with a
- the intensities are offset from one another by a diffraction order. There may be more light sources depending
- Imaging element can be switched on with predeterminable combinations of distances and / or emission angles, so that superimpositions with further intensities of the further switched-on light sources can arise in different viewing planes.
- Fig. 2b shows in a simplified representation a lighting device with two light sources LQ1, LQ2 for e.g. a holographic display.
- Light sources LQ1, LQ2 of a light source array which can be switched on with control elements CE, are assigned to an imaging element AE for imaging the light sources LQ1, LQ2.
- the light sources LQ1, LQ2 in the array have two-dimensional data that can be used to determine their positions in the array.
- the position data can be used to switch on the light sources for a determined position of eye pupils.
- the light source LQ1 should be arranged centrally to the optical axis of the imaging element AE, the light source LQ2 is arranged offset by a distance d.
- Light sources LQ1, LQ2 illuminates the light a controllable spatial light modulator ME, in which a hologram SH is inscribed for an object point as part of a 3D scene.
- the control element CE also controls the light modulator ME or writes the hologram SH into the controllable spatial light modulator ME.
- a viewer plane which is the image plane in FIG. 2a,
- the observer plane is the far field of the light sources, so that the intensity distributions IV1, IV2 are also referred to as far field diffraction patterns.
- both light sources LQ1, LQ2 are switched on activated, then the visibility region is generated at the eye pupil AP with a total intensity which is the intensity maximum of 0. Diffraction order of the first light source LQ1 having a part of the intensity of +1. Diffraction order of the second light source LQ2 is superimposed.
- a reconstruction of the object point OP1 is visible with the eye pupil AP, which is a superposition of the with the intensity of the 0th diffraction order and the +1.
- Diffraction order is generated reconstructions. With a superimposition of the intensities in the visibility region, the object point OP1 is to be seen with a brightness which is the same as that of the object
- the light sources to be switched on may also have such a distance from each other that light source images in the observer plane are offset from one another by, for example, 2 or 3 or a different number of diffraction orders.
- the positions of light sources to be driven may be corresponding to a current position of eye pupils for generating the light source
- Visibility area software-programmed in storage means present.
- the light sources for generating the visibility region can be variably activated at positions which are dependent on a 1D or 2D coding of the 3D scene in the vertical or / and horizontal direction.
- Light source array, imaging elements and SLM the light source imaged in the observer plane. Further light sources to be switched on are to be arranged according to the invention in such a way that their light source image in the observer plane is shifted by an integer multiple of an interval of the extension of the diffraction order of the pixel matrix, ie by N * D * ⁇ / ⁇ , where N is an integer.
- the magnification of a lens is generally defined as the factor Image BW by object size GW.
- the light source images in the observer plane for two light sources so by N * D * ⁇ / ⁇ can be offset from each other, the light sources must have a lateral distance GW / BW * N * D * ⁇ / ⁇ to each other.
- the imaging element is close to the light modulator ME, then the image width BW is approximately equal to the observer distance D, and the equation simplifies to N * GW * ⁇ / ⁇ for the distance between two light sources to be switched per imaging element.
- the distance between the light sources to each other still depends on the wavelength of light. For a holographic color display, different distances for red, green and blue light sources would have to be selected to reconstruct a bright 3D scene.
- a controllable spatial light modulator may also have rectangular pixels with a different pixel pitch in the horizontal and vertical directions. Then, in the above equations, optionally for p, insert a horizontal or a vertical pitch to
- the light sources of the array can be arranged vertically one above the other to the
- Crosstalk other diffraction orders in a neighboring eye of the observer does not increase.
- driving the light sources in two dimensions, e.g. in the form of a cross beneficial.
- each imaging element that is, for each lens of the lenticular, several light sources are switched on at least vertically controlled.
- at least two light sources can be switched on vertically one above the other or horizontally next to one another, with pixel columns or pixel lines of one pixel
- Shutter displays are controllable as strip-shaped secondary light sources.
- light sources for each lens of the lenticular can be controlled, which are arranged horizontally and vertically in the form of a cross.
- the lighting device can light sources with a regular
- Strip-shaped light sources can be formed by column or line-wise control of the light sources per imaging element for a strip-shaped illumination when an optical imaging means with strip-shaped imaging elements, such as a lenticular, to be used in the beam path.
- the imaging elements should have a given number of individual
- light sources can form a visibility area at different positions.
- the hologram of an object point to be reconstructed can optionally remain fixedly coded or re-encoded in observer tracking. Because the position of the position of the
- Reconstructing object point can change depending on the position of the eye pupil, intensities of at least two orders of diffraction of the switched light sources, which are assigned to an imaging element, can be superimposed on this eye position.
- Light sources preferably has the greatest intensity for the reconstruction produced in the
- intensities of at least two diffraction orders can be superimposed to a total intensity at the location of the visibility area, these intensities at the same location can be used to create and superimpose at least two reconstructions of the 3D scene, with the total intensity of the visibility area as a generated reconstruction of the 3D scene with corresponding brightness is perceptible in the eye pupil.
- This reconstruction of the 3D scene can be perceived in the field of visibility with a brightness that the
- FIG. 3 shows a diagram of the intensity distributions of the diffraction orders of
- the envelope is given for a single pixel with a fill factor or aperture of 70% of the pixel pitch in one direction and with a transmission path of a rectangular pixel.
- the graph refers to the three light sources LQ1, LQ2, LQ3 shown in FIG.
- the limits of the visibility range VW, which is set to a diffraction order, are indicated in FIG. 3 in the middle of the 0th order of diffraction with vertical lines.
- the intensity maxima of the three intensity distributions 11, 12, 13 of the light sources LQ1, LQ2, LQ3 are approximately equal in size and offset from one another at the spacing of a diffraction order.
- the combined curve of the envelope shows a beneficial increase in intensities to a total intensity (one increased on average over the visibility range by 50%
- the envelope indicates the total intensity of three incoherently added intensities 11, 12, 13 of switched-on light sources LQ1, LQ2, LQ3. According to the graph, the
- Visibility range for three switched on light sources LQ1, LQ2, LQ3 ie 300% intensity of the light sources
- a total intensity of 150% compared to the intensity of a single light source on compared to the intensity of a single light source on.
- the efficiency of the power of the switched-on light sources decreases, the brightness of a reconstruction of a 3D scene, which in the
- Visibility range is perceptible with an eye pupil.
- the invention further comprises a holographic display comprising a lighting device with a light source array according to claim 1, as well as imaging elements and a controllable spatial light modulator ME into which a hologram of a 3D scene can be inscribed, which in a visibility region comprises at least two
- the controllable spatial light modulator preferably has a pixel matrix.
- the imaging elements may be a regular lens array of a lens array.
- the control systems include controls for e.g. the light sources of
- Lighting device for generating a visibility area are controlled, or controls with which the light modulation of a light modulator is controllable.
- Positional tracking of observer eyes can be performed continuously to constantly generate a visibility area for currently detected positions of eye pupils.
- a position finder acquires the position data of the eye pupils of a viewer.
- Control systems send and receive data to and from the controls of the individual display components using sensing and control systems of the present invention
- Real or virtual light sources which can be switched on individually controllable side by side in the horizontal and / or vertical direction, and which are assigned to an imaging element can, for example, one-dimensional with respect to their lateral distance from each other or the radiation angle, in they illuminate the controllable light modulator, are combined so that the diffraction orders assigned to the individual light sources are offset in an observer plane by an integer multiple - an integer greater than or equal to 1 - the interval of a single diffraction order to each other.
- a 3D scene consisting of at least one object point is to be reconstructed with the holographic display, first the positions of the eye pupils are to be determined in order to generate a visibility region for these positions.
- Position detection system which constantly detects the position of eye pupils transmits to control systems the position data with which controls in the lighting device in a light source array turn on a predetermined number of light sources.
- Control elements are switched with a software program, the light sources per imaging element, which can be generated for the position of the eye pupil of the visibility range, each with an intensity maximum, the intensities for
- Visibility area is superimposed with intensity of light sources switched per imaging element in the visibility area to a total intensity.
- the light of the light sources is influenced by the controllable light modulator with the hologram of the encoded 3D scene, whereby a reconstruction of the 3D scene can be generated, to which superimposed with the individual intensities reconstructions are superimposed.
- control systems When changing the position of the observer, the control systems, depending on the transmitted position data of the observer, light sources are controlled such that with new control values, a reconstruction of the 3D scene at the position of a newly generated
- the positions of the light sources to be switched on are to be selected so that intensities of at least part of a diffraction order of a first light source with at least part of a further diffraction order of at least one second light source can be superimposed both for the reconstruction of the object point and in the visibility region of the observer plane.
- the invention is optionally in holographic displays with different types of
- Light modulators for example, amplitude or phase modulator
- different coding methods applicable, such. with a coding of complex values
- Visibility area have superimposed periodic repeats with a modulated 3D scene, and not such areas, with which, for example, in Burckhardt coding spatially inverted reconstructions are generated.
- the Burckhardt coding will be explained with reference to FIGS. 4 and 5.
- FIG. 4 schematically shows a controllable light modulator ME into which a hologram SH of a 3D scene illuminated by a single light source LQ is coded.
- a complex value is encoded in each case in three pixels of the light modulator in the form of amplitude values.
- the light modulated with the hologram SH is focused to a position at which an object point OP can be reconstructed in FIG. 4, the light generating a visibility region for an eye pupil AP from this position.
- a visibility region X a reconstruction of a 3D scene is visible for an eye pupil.
- An eye pupil in the area Y would not perceive any holographic reconstruction, an eye pupil in the area Z would see a 3D scene with the object points (not shown) lying in front and behind with respect to the depth. are reversed.
- An eye pupil AP in subarea Z in FIG. 4 would perceive the reconstructed object point behind the display, while it would be perceptible in the visibility region X in front of the display.
- the entire array X, Y, Z repeats periodically in the observer plane.
- a part of the light of the light source LQ is in the viewer plane to the point PY in the
- Subarea Y focused. This corresponds to a light source image, which in the case of Burckhardt coding is also visible in the hologram inscribed in the light modulator. This light source image repeats periodically in further diffraction orders.
- a reconstruction of the object point OP be perceptible with an eye pupil.
- This reconstruction can e.g. be superimposed with a reconstruction that can be generated with an intensity of another switched-light source.
- the intensity of subregion X should be e.g. according to Fig. 5 with the repetition of the partial area X 'or Y' of another light source which can be superimposed e.g. Having intensities in the sub-areas X ', Y' and Z 'in periodic continuation in the observer plane.
- Lighting device of the invention is to be selected in this coding so that for a light source of the partial area X in the observer plane preferably superimposed with a repetition of the partial area X of another light source.
- intensities of two diffraction orders of two different light source images can be superimposed, and two with Object reconstructions generated at these intensities are superimposed into a single reconstruction, which is thereby perceptible with a brightness corresponding to the total intensity.
- the light path from the light source image PY in the subregion Y are traced through the center of the hologram SH and further through the imaging element AE to the light source LQ2 of the light source array. Accordingly, the light path of the
- Light source images PY 'and PY " the periodic repetitions of PY traced by the same position in the hologram as for PY and by the imaging element AE., This leads to the position of the light sources LQ1 and LQ3
- the determination of the light sources LQ1 and LQ3 as a function of the eye position can be programmable by software or stored, for example, in the form of a look-up table.
- a part of a diffraction order (namely, the part X of the diffraction order in the observer plane which extends in total over the regions X, Y and Z) of an activated light source, e.g. LQ1
- an activated light source e.g. LQ1
- the same part of at least one other, different diffraction order of another light source e.g. LQ3, one
- Lighting device can be realized using a shutter display, in which the
- light sources according to the invention are secondary light sources.
- this illumination device light sources can be generated with very little effort, in that rows or columns of pixels in the shutter display per imaging element can be controlled transparently.
- the spacing of the individual lines to be switched on may be slightly more than 2 mm in order to produce a visibility area with superimposed intensities using a shutter display, as well as a reconstruction of a 3D scene with superimposed reconstructions in it
- the power of the individual light sources of the primary lighting unit would not have to be changed.
- the reconstruction of a 3D scene can be seen with the same primary illumination with a greater brightness.
- Light sources of the illumination device can be switched on in a predeterminable number, and / or predeterminable positions to each other and / or predeterminable radiation angles variable controllable. This is true if, according to the invention, at varying positions of eye pupils of at least two observers in different observer planes, a visibility region to be viewed for viewing a reconstruction of a 3D scene. By controlling different combinations of light sources to be switched on per imaging element, the visibility region with the same overall intensity can be generated at different positions, whereby a superimposition of reconstructions, which can be generated with additive intensities, results in a single reconstruction.
- Another embodiment of the invention may be used with a holographic display having an electrowetting unit for deflecting light to changing positions of eye pupils.
- a display thus includes one
- Lighting unit at least one imaging element, a light modulator, and a controllable deflection, for example, an array of Elektrowetting prisms for viewer tracking.
- a deflection angle is set on the controllable deflection element such that the visibility range of a pupil position of a viewer is tracked.
- several light sources can be turned on so that in
- Visibility range of a superposition of the intensities of a diffraction order of a first light source with at least one further diffraction order of at least one second light source results.
- the position of the light sources can also be determined here by the optical path of light source images in the observer plane through the optical system
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Abstract
The invention relates to an illumination device comprising an array of light sources for a holographic display having imaging elements and a light modulator, in which the brightness of reconstructions of a three-dimensional scene can be improved at discretionary positions of visibility areas. In the illumination device with a light source array, at least two light sources (LQ) can be selectively activated for each imaging element (AE), by way of which a visibility area having a total intensity (I) from a superposition of the intensity maximum of a diffraction order with part of an intensity maximum of at least one additional diffraction order can be generated. Reconstructions generated at the same location can be superimposed with said intensities, which can be seen as a reconstruction of the 3D scene having a brightness corresponding to the total intensity in the visibility area at positions of pupils (AP), by way of which the position of the light sources (LQ) to be selectively activated can be defined. The invention can be used in holographic displays and arrays for beam shaping or beam deflecting of light.
Description
BELEUCHTUNGSVORRICHTUNG EINES HOLOGRAPHISCHEN DISPLAYS LIGHTING DEVICE FOR A HOLOGRAPHIC DISPLAY
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Array von Lichtquellen für ein holografisches Display, das wenigstens Abbildungselemente und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator aufweist, in den eine zu rekonstruierende 3D Szene kodiert ist, die in einem Sichtbarkeitsbereich heller wahrgenommen werden kann als mit einer vergleichbaren The invention relates to a lighting device comprising an array of light sources for a holographic display comprising at least imaging elements and a controllable spatial light modulator into which a 3D scene to be reconstructed is encoded, which can be perceived as lighter in a visibility region than with a comparable one
herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung. Die Erfindung umfasst ebenfalls ein holografisches Display, das die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung aufweist. Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung sind neben holografischen Displays auch Anordnungen zur Strahlformung oder Strahlablenkung von Licht. conventional lighting device. The invention also includes a holographic display comprising the lighting device according to the invention. Field of application of the illumination device according to the invention are not only holographic displays but also arrangements for beam shaping or beam deflection of light.
In der Druckschrift WO 2004/044659 (A2) der Anmelderin wird ein holografisches Display zum Rekonstruieren einer 3D Szene mit einem Betrachterfenster, das auch als Sichtbarkeitsbereich bezeichnet werden kann, offenbart. Das holografische Display weist eine The applicant WO 2004/044659 (A2) discloses a holographic display for reconstructing a 3D scene with a viewer window, which can also be referred to as a visibility area. The holographic display has a
Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle, ein Abbildungsmittel und wenigstens einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM) auf, der mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet werden soll. Eine 3D Szene kann in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator beispielsweise als ein Hologramm eingeschrieben werden. Zum Berechnen von steuerbaren Daten bzw. der Hologrammwerte wird beispielsweise die 3D Szene rechnerisch in viele Objektpunkte zerlegt und für die einzelnen Objektpunkte sogenannte Sub-Hologramme berechnet, deren Amplituden- und/oder Phasenwerte aufaddiert und in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator als Hologrammwerte eingeschrieben bzw. kodiert werden. Die kodierten Amplituden- oder Phasenwerte modulieren das Licht, das als Wellenfront der 3D Szene auf Betrachteraugen geführt wird, mit welchen die erzeugte Rekonstruktion der 3D Szene in einem Sichtbarkeitsbereich wahrgenommen werden kann. Mit diesem Prinzip kann der Lighting device with a light source, an imaging means and at least one controllable spatial light modulator (SLM), which is to be illuminated with sufficiently coherent light. For example, a 3D scene may be written into the controllable spatial light modulator as a hologram. In order to calculate controllable data or hologram values, for example, the 3D scene is computationally decomposed into many object points and sub-holograms calculated for the individual object points, their amplitude and / or phase values added up and written into the controllable spatial light modulator as hologram values become. The coded amplitude or phase values modulate the light which is guided as the wavefront of the 3D scene onto observer eyes, with which the generated reconstruction of the 3D scene in a visibility region can be perceived. With this principle, the
Sichtbarkeitsbereich für unterschiedliche mögliche Positionen von Betrachteraugen in der Betrachterebene erzeugt werden. Die Helligkeit mit der die Rekonstruktion einer 3D Szene für einen Betrachter wahrnehmbar ist, ist unter anderem davon abhängig, wie viel Lichtintensität in den Sichtbarkeitsbereich gelangt. Hierauf hat beispielsweise die Transmission des räumlichen Lichtmodulators einen Einfluss sowie auch die Eigenschaften der Abbildungselemente der Beleuchtungsvorrichtung bzw. in dem holografischen Display. Für eine vorgegebene Anordnung aus Beleuchtungsvorrichtung, Lichtmodulator und Abbildungselementen kann zum Beispiel diese Helligkeit verändert werden, indem die Intensität der Lichtquellen in der Beleuchtungsvorrichtung verändert wird. Visibility area for different possible positions of observer eyes are generated in the observer level. The brightness with which the reconstruction of a 3D scene is perceptible to a viewer depends, among other things, on how much light intensity reaches the visibility area. In this case, for example, the transmission of the spatial light modulator has an influence as well as the properties of the imaging elements of the lighting device or in the holographic display. For a given arrangement of lighting device, light modulator and imaging elements, for example, this brightness can be changed by changing the intensity of the light sources in the lighting device.
Die Helligkeit der Rekonstruktion kann aber auch für verschobene Augenpositionen innerhalb
des Sichtbarkeitsbereiches unterschiedlich wahrnehmbar sein, wenn z.B. die Intensität der rekonstruierten Objektpunkte nicht mit einer vorgegeben Zielintensität der rekonstruierten Objektpunkte an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs für The brightness of the reconstruction can also be used for displaced eye positions within be perceived differently in the visibility region, for example, if the intensity of the reconstructed object points not with a predetermined target intensity of the reconstructed object points at different positions within the visibility range for
Betrachteraugen übereinstimmt. Observer eyes matches.
Sogenannte Nachführeinrichtungen (Tracking-Einrichtungen), mit denen ein Sichtbarkeitsbereich für Augenpupillen mindestens eines Betrachters bei dessen Positionswechsel vor einem Display bereit gestellt bzw. erzeugt werden kann, sind z.B. aus der WO 2008/142108 A1 (Electrowetting- Tracking) oder beispielsweise der WO 2006/119920 A1 (Lichtquellentracking) bekannt. Das Bereitstellen des Sichtbarkeitsbereichs an unterschiedlichen Positionen von Augenpupillen wird oft auch als ein„Verschieben" des Sichtbarkeitsbereichs bezeichnet. So-called tracking devices (tracking devices), with which a visibility range for eye pupils of at least one observer can be provided or generated in front of a display during its position change, are known e.g. from WO 2008/142108 A1 (electrowetting tracking) or, for example, WO 2006/119920 A1 (Lichtquellentracking) known. Providing the visibility area at different positions of eye pupils is often referred to as "shifting" the visibility area.
Beim Lichtquellentracking können für eine neu ermittelte Position von Betrachteraugen andere Lichtquellen eingeschaltet werden, die für diese neu ermittelte Position einen neuen When light source tracking other light sources can be switched on for a newly determined position of observer eyes, the new position for this newly determined position
Sichtbarkeitsbereich bereitstellen. Dies kann auch als„Verschieben" von Lichtquellen zu einer neuen Position bezeichnet werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Beleuchtungsvorrichtung, die mindestens eine Lichtquelle und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator mit einer Provide visibility area. This can also be referred to as "moving" light sources to a new position, an example of which is a lighting device comprising at least one light source and a controllable spatial light modulator with a light source
Pixelmatrix aufweist. Die Pixel des als Shutterdisplay bezeichneten steuerbaren Lichtmodulators können zeilen- und/oder spaltenweise angesteuert eingeschaltet werden, so dass sie für ankommendes Licht transparent sind und sekundäre zeilen- und/oder spaltenförmige Pixel matrix has. The pixels of the controllable light modulator, which is referred to as a shutter display, can be switched on in rows and / or columns so that they are transparent to incoming light and secondary row and / or columnar
Lichtquellen bilden. Mit der Intensität der Lichtquellenbilder der sekundären Lichtquellen kann eine Rekonstruktion erzeugt werden, die mit einer bestimmten Helligkeit zu sehen ist. Wenn die Rekonstruktion heller zu sehen sein soll, muss die Intensität der primären Lichtquellen erhöht werden. Form light sources. With the intensity of the light source images of the secondary light sources, a reconstruction can be generated which can be seen with a certain brightness. If the reconstruction is to be seen brighter, the intensity of the primary light sources must be increased.
Damit eine möglichst hohe Energieeffizienz einer Beleuchtungsvorrichtung erreicht werden kann, sollten der Abstrahlwinkel und die Form der Lichtquellen und die Form und Ausdehnung von Abbildungselementen zum Abbilden der Lichtquellen so weit wie möglich aufeinander abgestimmt sein. Unter einer Form einer Lichtquelle wird hier beispielsweise näherungsweise eine punktförmige oder eine linienförmige Lichtquelle verstanden. In einem holografischen Display mit einem Lichtquellenarray, das z.B. näherungsweise linienförmige Lichtquellen aufweist, kann ein SLM am effizientesten mit einem Lentikular von Zylinderlinsen beleuchtet werden. In einem holografischen Display mit einem Lichtquellenarray das z.B. näherungsweise punktförmige Lichtquellen aufweist, kann ein SLM am effizientesten mit einem Linsenarray von sphärischen Linsen beleuchtet werden. Linienförmige Lichtquellen werden bevorzugt eingesetzt in Kombination mit einer single-parallax Codierung, im Folgenden 1 D-Codierung genannt. So that the highest possible energy efficiency of a lighting device can be achieved, the radiation angle and the shape of the light sources and the shape and extent of imaging elements for imaging the light sources should be coordinated as far as possible. For example, a shape of a light source is understood here to be approximately a punctiform or a line-shaped light source. In a holographic display with a light source array, e.g. Having approximately line-shaped light sources, an SLM can be most efficiently illuminated with a lenticular of cylindrical lenses. In a holographic display with a light source array, e.g. Having approximately point-shaped light sources, an SLM can be most effectively illuminated with a lens array of spherical lenses. Linear light sources are preferably used in combination with a single-parallax coding, referred to below as 1-D coding.
Punktförmige Lichtquellen werden bevorzugt mit einer full-parallax Codierung eingesetzt, im
Folgenden 2D-Codierung genannt. Point-shaped light sources are preferably used with a full-parallax coding, in Following 2D-coding called.
Das Erzeugen der Rekonstruktion einer 3D Szene mit einem holografischen Display ist z.B. aus der WO 2004/044659 (A2) bekannt, und ist in Fig. 1 anhand eines Objektpunktes vereinfacht dargestellt, der ein Teil einer 3D Szene repräsentieren soll. Um gemäß dem Creating the reconstruction of a 3D scene with a holographic display is e.g. from WO 2004/044659 (A2), and is shown in simplified form in FIG. 1 on the basis of an object point which is to represent a part of a 3D scene. To according to the
Rekonstruktionsprinzip der WO 2004/044659 (A2) einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator großflächig zu beleuchten, in den eine 3D Szene kodiert ist, kann das holografische Display z.B. eine einzelne Lichtquelle und eine großformatige Linse, oder ein Lichtquellenarray und ein Array von Abbildungselementen aufweisen. Mit dem im steuerbaren Lichtmodulator modulierten Licht werden Rekonstruktionen der 3D Szene und Sichtbarkeitsbereiche in einer Betrachterebene in periodischer Fortsetzung erzeugt. Reconstruction principle of WO 2004/044659 (A2) to illuminate a controllable spatial light modulator over a large area in which a 3D scene is encoded, the holographic display can be used e.g. a single light source and a large-sized lens, or a light source array and an array of imaging elements. With the light modulated in the controllable light modulator, reconstructions of the 3D scene and visibility regions in a viewer plane are generated in periodic continuation.
Die Rekonstruktion der 3D Szene ist mit Augenpupillen in einem Sichtbarkeitsbereich The reconstruction of the 3D scene is with eye pupils in a visibility area
wahrnehmbar, der innerhalb einer einzelnen Beugungsordnung in der Betrachterebene festgelegt wird. Normalerweise wird die Beugungsordnung mit der größten Intensität gewählt, also die 0. Beugungsordnung, so dass die Rekonstruktion mit einer dieser Intensität entsprechenden Helligkeit sichtbar ist. perceptible, which is determined within a single diffraction order in the observer level. Normally the diffraction order with the highest intensity is selected, ie the 0th diffraction order, so that the reconstruction is visible with a brightness corresponding to this intensity.
Entsprechend der in Fig. 1 schematisch dargestellten Rekonstruktion beleuchtet ein nahezu kohärentes Lichtbündel einer je Abbildungselement AE eingeschalteten Lichtquelle LQ einen räumlichen Lichtmodulator ME, wobei das Licht von der Pixelmatrix gebeugt wird. In mindestens einem Bereich der Pixelmatrix ist ein Hologramm SH eines Objektpunkts 0 OP kodiert, den das modulierte Licht im Betrachterraum rekonstruiert. In einem Sichtbarkeitsbereich VW ist die Rekonstruktion an der Position einer Augenpupille AP mit einer Helligkeit zu sehen, die von der Intensität des modulierten Lichts der Lichtquelle abhängt. Der Sichtbarkeitsbereich liegt imAccording to the reconstruction shown schematically in FIG. 1, an almost coherent light bundle of a light source LQ switched on per imaging element AE illuminates a spatial light modulator ME, the light being diffracted by the pixel matrix. In at least one region of the pixel matrix, a hologram SH of an object point O OP is encoded, which the modulated light reconstructs in the viewer's space. In a visibility range VW, the reconstruction is seen at the position of an eye pupil AP having a brightness that depends on the intensity of the modulated light of the light source. The visibility range is in
Intensitätsmaximum der 0. Beugungsordnung, mit der die Rekonstruktion des Objektpunktes 0 OP erzeugt wird. Dessen Rekonstruktion setzt sich periodisch im Betrachterraum mit geringeren Intensitäten fort, entsprechendes gilt für die Fortsetzung der Beugungsordnungen der Lichtquelle in der Betrachterebene. Die mit geringeren Intensitäten der +- 1. Beugungsordnungen erzeugten Objektpunkte +1 OP und -1 OP, die mit geringerer Strichstärke dargestellt sind, sind im Intensity maximum of the 0th diffraction order, with which the reconstruction of the object point 0 OP is generated. Its reconstruction continues periodically in the viewer's room with lower intensities, the same applies to the continuation of the diffraction orders of the light source in the observer plane. The object points +1 OP and -1 OP generated with lower intensities of the + - 1st diffraction orders, which are shown with lower line width, are in the
Sichtbarkeitsbereich mit der Augenpupille AP nicht wahrnehmbar. Im Vergleich zur Visibility range with the eye pupil AP imperceptible. In comparison to
Rekonstruktion mit der Intensität der 0. Beugungsordnung wären die Objektpunkte +1 OP und -1 PO mit einer geringeren Helligkeit zu sehen, wenn die Augenpupille in der Betrachterebene in der +1. oder -1 . Beugungsordnung positioniert wäre. Die Beugungsordnungen sind in der Betrachterebene in Fig. 1 mit Doppelpfeilen dargestellt. Reconstruction with the intensity of the 0th order of diffraction, the object points +1 OP and -1 PO would be seen with a lower brightness, if the eye pupil in the observer plane in the +1. or -1. Diffraction order would be positioned. The diffraction orders are shown in the viewer plane in Fig. 1 with double arrows.
Ausgehend vom Intensitätsmaximum der O. Beugungsordnung einer eingeschalteten Lichtquelle
haben die relativen Intensitäten (Nebenmaxima) in den ersten und höheren Beugungsordnungen meist einen zu beiden Seiten abnehmenden Verlauf. Das Intensitätsmaximum von Starting from the intensity maximum of the O. diffraction order of an activated light source The relative intensities (secondary maxima) in the first and higher diffraction orders usually have a decreasing course on both sides. The intensity maximum of
Beugungsordnungen wird im allgemeinen vom Transmissionsverlauf in den Pixeln bestimmt, das heißt also von der Pixelapertur und einer möglichen Änderung der Transmission in der Apertur Auch wenn man den Transmissionsverlauf der Pixel des SLM z.B. mit einer Apodisationsfunktion optimiert, können in der Regel noch Intensitäten mindestens einer weiteren Beugungsordnung größer als Null vorhanden sein. Mit einer Kosinusfunktion apodisierte Pixel können z.B. Diffraction orders are generally determined by the transmission curve in the pixels, that is to say by the pixel aperture and by a possible change in the transmission in the aperture, even if the transmission characteristics of the pixels of the SLM are determined, for example. With an apodization function optimized, intensities of at least one further order of diffraction greater than zero can generally still be present. Cosine function apodized pixels can be e.g.
Intensitäten ab der zweiten Beugungsordnung unterdrücken, verstärken aber die Intensitäten der ersten Beugungsordnungen in der Betrachterebene. Weiterhin führt eine Apodisation häufig dazu, dass die Transmission sinkt und die Intensität der 0. Beugungsordnung und der 1. Suppress intensities from the second diffraction order, but reinforce the intensities of the first diffraction orders in the observer plane. Furthermore, apodization often causes the transmission to decrease and the intensity of the 0th diffraction order and the 1.
Beugungsordnungen verringert werden, wodurch die Helligkeit, mit der die Rekonstruktion sichtbar ist, ebenfalls verringert ist. Dadurch kann auch der Kontrast verringert sein, wodurch Details wie beispielsweise Helligkeitsabstufungen in der Rekonstruktion nicht gut zu erkennen sind. Die Intensität im Sichtbarkeitsbereich sollte für die zu rekonstruierenden Objektpunkte einer 3D Szene möglichst groß sein. Diffraction orders are reduced, whereby the brightness with which the reconstruction is visible, is also reduced. As a result, the contrast can also be reduced, as a result of which details such as, for example, brightness gradients in the reconstruction are not easily recognizable. The intensity in the visibility area should be as large as possible for the object points of a 3D scene to be reconstructed.
Da in der Regel die Intensität bereits zum Rand der zentralen Beugungsordnung hin abnimmt, kann z.B. die Helligkeit der Rekonstruktion unterschiedlich wahrgenommen werden, also z.B. auch abweichend von einer vorgegebenen Zielintensität der Objektpunkte wenn die Position des Betrachterauges innerhalb des Sichtbarkeitsbereiches verschoben wird. Since, as a rule, the intensity already decreases towards the edge of the central diffraction order, e.g. the brightness of the reconstruction are perceived differently, e.g. also deviating from a predetermined target intensity of the object points when the position of the observer's eye is moved within the visibility range.
Üblicherweise erfolgt eine Betrachternachführung derart, dass das Zentrum des Usually, an observer tracking takes place in such a way that the center of the
Sichtbarkeitsbereiches mit der Position einer Augenpupille in Übereinstimmung gebracht wird. Durch Ungenauigkeiten der Nachführung oder durch sehr schnelle Augenbewegungen kann aber der Fall auftreten, dass ein Betrachterauge sich kurzzeitig außerhalb des Zentrums des Visibility range is brought into agreement with the position of an eye pupil. Due to inaccuracies of the tracking or by very fast eye movements but may occur the case that a viewer eye briefly outside the center of the
Sichtbarkeitsbereiches befindet. Daher ist es wünschenswert, wenn für eine solche verschobene Augenposition die Intensität mit der die Rekonstruktion wahrgenommen wird sich nicht ändert. Visibility area is located. Therefore, it is desirable if, for such a shifted eye position, the intensity with which the reconstruction is perceived does not change.
Beleuchtungsvorrichtungen für holografische Displays zum Erzeugen von Rekonstruktionen dreidimensionaler Szenen können ansteuerbare Lichtquellen aufweisen, die Licht variierbar bis zu einer maximal möglichen Intensität emittieren können. Will man die Helligkeit von Illumination devices for holographic displays for generating reconstructions of three-dimensional scenes can have controllable light sources which can emit light variably up to a maximum possible intensity. Do you want the brightness of
Rekonstruktionen z.B. mit Lichtquellen größerer Intensität erhöhen, können Komponenten im holografischen Display durch hohe Wärmeentwicklung in ihrem funktionsgemäßen Gebrauch beeinträchtigt werden. Reconstructions e.g. With light sources of higher intensity, components in the holographic display can be affected by high heat development in their proper use.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, mit der die Helligkeit von Rekonstruktionen einer 3D Szene an beliebigen Positionen von
Sichtbarkeitsbereichen verbessert werden kann. It is therefore an object of the invention to provide a lighting device with which the brightness of reconstructions of a 3D scene at arbitrary positions of Visibility areas can be improved.
Die Erfindung geht aus von einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtquellenarray für ein holografisches Display, das einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator, in den eine 3D Szene einschreibbar ist, sowie Abbildungselemente mit jeweils einer Anzahl von einschaltbaren Lichtquellen aufweist, deren Beugungsordnungen sich in einer Betrachterebene periodisch wiederholen, wobei eine Beugungsordnung mit einem Intensitätsmaximum als The invention is based on a lighting device with a light source array for a holographic display, which has a controllable spatial light modulator in which a 3D scene is inscribed, and imaging elements each having a number of switchable light sources whose diffraction orders are repeated periodically in a viewer plane a diffraction order with an intensity maximum as
Sichtbarkeitsbereich festgelegt ist, in dem eine mit dem Intensitätsmaximum erzeugte Visibility is set, in which one generated with the intensity maximum
Rekonstruktion der 3D Szene sichtbar ist, wobei die Lichtquellen mit Steuerelementen von Steuersystemen abhängig von Positionen von Augenpupillen einschaltbar sind. Reconstruction of the 3D scene is visible, the light sources are switched on with controls of control systems depending on positions of the eye pupil.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und/oder dadurch gelöst, dass für jeweils ein Abbildungselement mindestens zwei Lichtquellen angesteuert eingeschaltet sind, die mit Intensitäten überlagerter Beugungsordnungen einen Sichtbarkeitsbereich erzeugen, der eine Gesamtintensität aus einer Überlagerung eines According to the invention, the object is achieved by the lighting device according to patent claim 1 and / or by the fact that at least two light sources are activated for each imaging element, which generate a visibility range with intensities of superimposed diffraction orders, which results in a total intensity of an overlay of one
Intensitätsmaximums einer Beugungsordnung mit einem Teil eines Intensitätsmaximums mindestens einer weiteren Beugungsordnung aufweist, wobei mit diesen Intensitäten am gleichen Ort überlagerbare Rekonstruktionen erzeugbar sind, die als eine Rekonstruktion der 3D Szene mit einer der Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entsprechenden Helligkeit an Positionen von Augenpupillen zu sehen ist, mit denen die Position der ansteuerbar Intensity maximum of a diffraction order with a part of an intensity maximum of at least one other diffraction order, which can be generated with these intensities in the same place superimposed reconstructions, which is to be seen as a reconstruction of the 3D scene with a total intensity in the visibility region corresponding brightness at positions of the eye pupil which the position of the controllable
einzuschaltenden Lichtquellen vorgebbar ist. einschaltenden light sources can be specified.
Da sich jedes Lichtquellenbild in der Betrachterebene mit Beugungsordnungen periodisch ausbreitet bzw. wiederholt, können Intensitäten von Beugungsordnungen und/oder mindestens Intensitäten von Teilen der Beugungsordnungen von Lichtquellenbildern eingeschalteterSince each light source image in the observer plane with diffraction orders propagates periodically, intensities of diffraction orders and / or at least intensities of parts of the diffraction orders of light source images can be switched on
Lichtquellen überlagert werden, wenn die Lichtquellen mit vorgegebenen Abständen zueinander steuerbar eingeschaltet werden. Gleichfalls sind mit diesen Intensitäten Rekonstruktionen am gleichen Ort erzeugbar und überlagerbar, wodurch mit überlagerten Intensitäten eine überlagerte Rekonstruktion entsteht, die mit einer erhöhten Helligkeit im Sichtbarkeitsbereich Light sources are superimposed when the light sources are controllably turned on at predetermined intervals. Likewise, with these intensities, reconstructions can be generated and superimposed at the same location, whereby superimposed intensities result in a superimposed reconstruction, which with an increased brightness in the visibility range
wahrgenommen werden kann. Der Sichtbarkeitsbereich weist die Gesamtintensität der überlagerten Intensitäten auf. can be perceived. The visibility area shows the overall intensity of the superimposed intensities.
Erfindungsgemäß kann der Sichtbarkeitsbereich an wechselnden Positionen vor dem According to the invention, the visibility range at changing positions before the
steuerbaren räumlichen Lichtmodulator mit variierbaren Abständen oder Abstrahlwinkeln von einzuschaltenden Lichtquellen erzeugt werden. controllable spatial light modulator can be generated with variable distances or angles of emission of light sources to be switched on.
Steuersysteme der Erfindung enthalten beispielsweise Steuerelemente, die erfindungsgemäß derart eingerichtet sind, dass Lichtquellen mit einer vorgebbaren Anzahl, oder/und vorgebbaren
Abständen oder einstellbaren Abstrahlwinkeln aktivierbar bzw. deaktivierbar, das heißt einschaltbar oder ausschaltbar sind, die von der Position des zu erzeugenden Control systems of the invention include, for example, control elements that are set up according to the invention in such a way that light sources with a predefinable number, or / and predefinable Distances or adjustable radiation angles can be activated or deactivated, that is to say switched on or off, the from the position of the to be generated
Sichtbarkeitsbereichs abhängig sind, dessen Position mit Positionsdaten detektierter Visibility range whose position is detected with position data
Augenpupillen vorgebbar ist. Eye pupil is specifiable.
Mit dieser erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kann für mindestens einen Betrachter im Raum vor z.B. einem holografischen Display mit einer erfindungsgemäßen With this lighting device according to the invention, for at least one observer in the room in front of e.g. a holographic display with an inventive
Beleuchtungsvorrichtung an wechselnden Positionen ein Sichtbarkeitsbereich erzeugt werden, in dem eine erzeugte Rekonstruktion wahrnehmbar ist. Lighting device can be generated at changing positions a visibility area in which a generated reconstruction is perceptible.
Die zu einem Abbildungselement eingeschalteten Lichtquellen können einen Abstand zueinander aufweisen, mit dem die Intensitätsmaxima der Beugungsordnungen der Lichtquellenbilder zum Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs um ein ganzzahliges Vielfaches des Intervalls einer Beugungsordnung versetzt sind, wobei das Intervall eine ganze Zahl größer gleich 1 ist. Somit korrespondiert der Abstand mindestens zweier zu einem Abbildungselement aktivierbaren Lichtquellen beleuchtungsseitig zu dem ganzzahligen Vielfachen des Abstands von The light sources switched to an imaging element may be at a distance from one another, with which the intensity maxima of the diffraction orders of the light source images are offset by an integer multiple of the interval of a diffraction order to the intensity maximum of the visibility region, wherein the interval is an integer greater than or equal to 1. Thus, the distance of at least two light sources which can be activated to form an imaging element corresponds on the illumination side to the integer multiple of the distance from
Intensitätsmaxima der Beleuchtungsordnungen der Lichtquellenbilder zum Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs abbildungsseitig. Weiterhin kann die Beleuchtungsvorrichtung Lichtquellen aufweisen, deren Abstände zumIntensity maxima of the illumination orders of the light source images to the maximum intensity of the visibility range image side. Furthermore, the lighting device may have light sources whose distances from the
Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs abhängig von einer 1 D- oder 2D-Kodierung der 3D Szene in vertikaler oder/und horizontaler Richtung variierbar angesteuert einschaltbar sind. Durch die Wiederholung der Beugungsordnungen der eingeschalteten Lichtquellen sind abhängig von der Methode der Kodierung, z.B. Burckhardt- oder Zweiphasen-Kodierung, im Sichtbarkeitsbereich periodische Wiederholungen von Intensitäten zu überlagern, mit denen eine Rekonstruktion erzeugbar ist. Generating the visibility range depending on a 1 D or 2D encoding of the 3D scene in the vertical or / and horizontal direction are driven variable switched on. By repeating the diffraction orders of the light sources turned on, depending on the method of encoding, e.g. Burckhardt or two-phase coding, superimposed in the visibility range periodic repetitions of intensities, with which a reconstruction can be generated.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung können vorzugsweise mindestens drei Lichtquellen je Abbildungselement ansteuerbar eingeschaltet sein, wobei das Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs mit einem zusätzlichen Intensitätsanteil von mindestens zwei zusätzlich eingeschalteten Lichtquellen überlagerbar ist, wobei der zusätzliche Intensitätsanteil überlagerte Intensitäten eines Teils einer Beugungsordnung oder der gesamten Beugungsordnung und desselben Teils mindestens einer weiteren Beugungsordnung oder der gesamten Beugungsordnung aufweist. Das Intensitätsmaximum jeweils einer Lichtquelle, vorzugsweise die 0. Beugungsordnung, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als According to one exemplary embodiment of the illumination device, preferably at least three light sources per imaging element can be controllably switched on, wherein the intensity maximum of the visibility region can be overlaid with an additional intensity component of at least two additionally switched on light sources, wherein the additional intensity component superimposed intensities of a part of a diffraction order or the entire diffraction order and the same Part of at least one other diffraction order or the entire diffraction order has. The intensity maximum of each one light source, preferably the 0th diffraction order, is in the present embodiment as
Sichtbarkeitsbereich festgelegt.
Einer weiteren Ausbildung der Beleuchtungsvorrichtung kann eine Gesamtintensität eines Sichtbarkeitsbereichs für eine Betrachterebene mit einem programmierten Visibility range set. A further embodiment of the illumination device can be an overall intensity of a visibility zone for a viewer plane with a programmed one
Fernfeldbeugungsmuster vorgebbar sein, für das Lichtquellen je Abbildungselement mit einem programmierten Einschaltmuster von Steuerelementen ansteuerbar einschaltbar sind. Be predetermined far field diffraction pattern for the light sources per imaging element with a programmed start pattern of controls are switched on controllable.
Zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs kann eine Beleuchtungsvorrichtung reelle oder virtuelle ansteuerbar aktivierbare bzw. deaktivierbare Lichtquellen aufweisen, die in einer Matrix angeordnet sein können. Die Lichtausbreitung der eingeschalteten Lichtquellen kann in horizontaler oder vertikaler Richtung mindestens eindimensional steuerbar sein, wobei die 3D Szene mindestens eindimensional horizontal oder vertikal kodiert ist. To generate the visibility region, an illumination device can have real or virtual light sources which can be actuated or deactivated in a controllable manner and which can be arranged in a matrix. The light propagation of the switched-on light sources can be controlled at least one-dimensionally in the horizontal or vertical direction, the 3D scene being coded at least one-dimensionally horizontally or vertically.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein holografisches Display, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist. Insbesondere weist das holografische Display eine Matrix von Lichtquellen, sowie Abbildungselemente und einen steuerbaren räumlichen The invention further comprises a holographic display comprising a lighting device according to one of claims 1 to 8. In particular, the holographic display has a matrix of light sources, as well as imaging elements and a controllable spatial
Lichtmodulator auf, in den eine 3D Szene einschreibbar ist, deren erzeugte Rekonstruktion in einem Sichtbarkeitsbereich sichtbar ist, der Intensitäten mindestens zweier unterschiedlicher Beugungsordnungen aufweist, die durch Überlagerung eine Gesamtintensität bilden, mit der eine Rekonstruktion der 3D Szene aus mindestens zweifach überlagerten Rekonstruktionen erzeugbar ist, wobei bei Positionsänderung von Augenpupillen mit Steuersystemen die Position des Sichtbarkeitsbereichs mit einer Anzahl von variierbar vorgebbaren aktivierbaren Lichtquellen je Abbildungselement änderbar ist. Light modulator, in which a 3D scene is inscribed, the generated reconstruction is visible in a visibility area having intensities of at least two different diffraction orders, which form by overlapping a total intensity with which a reconstruction of the 3D scene from at least two superimposed reconstructions can be generated wherein, when changing the position of eye pupils with control systems, the position of the visibility region is variable with a number of variably predefinable activatable light sources per imaging element.
Das holografische Display kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass die Lichtquellen mit Abständen und/oder Abstrahlwinkeln zueinander variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, wobei die Ansteuerung von Lichtquellen bezogen auf jeweils eine Position von Augenpupillen in einer beliebigen Betrachterebene vor dem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator zum Erzeugen eines jeweiligen Sichtbarkeitsbereichs erfolgt. Die Sichtbarkeitsbereiche sind üblicherweise in verschiedenen Betrachterebenen innerhalb eines vorgegebenen Tiefenbereichs bzw. eines Abstandsbereichs vom steuerbaren räumlichen Lichtmodulator bzw. vom holographischen Display erzeugbar, der beispielsweise zwischen 70 und 120 cm liegen kann. The holographic display can furthermore be configured in such a way that the light sources can be switched on and off in variable manner with distances and / or emission angles, wherein the control of light sources in relation to a respective position of eye pupils in any observer plane before the controllable spatial light modulator for generating a respective visibility range he follows. The visibility regions are usually producible in different viewing planes within a predefined depth range or a distance range from the controllable spatial light modulator or from the holographic display, which can be, for example, between 70 and 120 cm.
Bei regelmäßiger Anordnung der Pixel, d.h. des Mitte-Mitte-Abstands zweier unmittelbar benachbarter Pixel (im folgenden Pixelpitch genannt), ist der Abstand der Beugungsordnungen in der Betrachterebene normalerweise proportional zum Reziproken des Pixelpitchs der With regular arrangement of the pixels, i. of the center-to-center distance of two immediately adjacent pixels (hereinafter called pixel pitch), the pitch of the diffraction orders in the observer plane is normally proportional to the reciprocal of the pixel pitch
Pixelmatrix. Weiterhin ist der Abstand der Beugungsordnungen zueinander proportional zum Abstand zwischen Betrachterebene und Lichtmodulator. Um Rekonstruktionsfehler beim Pixel matrix. Furthermore, the distance of the diffraction orders to each other is proportional to the distance between the observer plane and light modulator. To make reconstruction errors at
Rekonstruieren der 3D Szene bzw. eines Objektpunktes möglichst klein zu halten wird die Größe
des Sichtbarkeitsbereichs innerhalb einer Beugungsordnung etwas größer als der Durchmesser einer Augenpupille vorgegeben. Der Pixelpitch des Lichtmodulators wird üblicherweise diesen Anforderungen, also der Größe des Sichtbarkeitsbereiches gemäß, gewählt. Für Abstände von Betrachterebenen zum Lichtmodulator von ca. 70 -120 cm sollte der Pixelpitch der Pixelmatrix beispielsweise einen Wert zwischen 30 μηη und 50 μηη betragen. Reconstructing the 3D scene or an object point as small as possible is the size the visibility range within a diffraction order given slightly larger than the diameter of an eye pupil. The pixel pitch of the light modulator is usually selected according to these requirements, ie the size of the visibility range. For distances of viewing planes to the light modulator of about 70 -120 cm, the pixel pitch of the pixel matrix should be, for example, a value between 30 μηη and 50 μηη.
Das holografische Display kann ein Lentikulararray mit Abbildungselementen aufweisen, denen jeweils Lichtquellen zugeordnet sein können, die zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, wobei eine 3D Szene im steuerbaren räumlichen Lichtmodulator vorzugsweise eindimensional kodiert eingeschrieben ist. The holographic display can have a lenticular array with imaging elements, to each of which light sources can be assigned, which can be variably activated to generate the visibility area, wherein a 3D scene in the controllable spatial light modulator is preferably coded one-dimensionally.
Wahlweise kann das holografische Display auch eine zweidimensionale Anordnung von sphärischen Abbildungselementen aufweisen denen jeweils Lichtquellen zugeordnet sein können, die zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, wobei eine 3D Szene im steuerbaren räumlichen Lichtmodulator vorzugsweise zweidimensional kodiert eingeschrieben ist. Optionally, the holographic display can also have a two-dimensional arrangement of spherical imaging elements which can each be associated with light sources which can be variably activated to generate the visibility region, wherein a 3D scene in the controllable spatial light modulator is preferably written two-dimensionally coded.
Eine weitere Ausgestaltung eines holografischen Displays kann eine Beleuchtungsvorrichtung enthalten, deren Lichtquellen für unterschiedliche Wellenlängen des zur Rekonstruktion der 3D Szene verwendeten Lichts an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Abstrahlwinkeln angesteuert einschaltbar sind. A further embodiment of a holographic display can contain a lighting device whose light sources can be switched on at different positions and / or with different radiation angles for different wavelengths of the light used for the reconstruction of the 3D scene.
Eine Lichtquelle kann im Sinne dieses Dokumentes als hinreichend kohärent angesehen werden, wenn ihr Licht soweit räumlich kohärent ist, dass es interferenzfähig ist, so dass zumindest eine eindimensionale oder eine zweidimensionale holografische Rekonstruktion eine hinreichend hohe Auflösung aufweisen kann. Diese Anforderungen erfüllen auch konventionelle Lichtquellen, deren Licht durch einen hinreichend engen Spalt strahlt. Eine linienförmige Lichtquelle kann senkrecht zu ihrer Länge als punktförmig angesehen werden. Das Licht ist dann in dieser Richtung kohärent und senkrecht dazu inkohärent. Um eine zeitliche Kohärenz zu gewährleisten, muss das Spektrum der Lichtquelle genügend schmalbandig sein. For the purposes of this document, a light source can be regarded as sufficiently coherent if its light is spatially coherent so far that it is capable of interfering, so that at least one one-dimensional or two-dimensional holographic reconstruction can have a sufficiently high resolution. These requirements also meet conventional light sources whose light radiates through a sufficiently narrow gap. A line-shaped light source can be considered perpendicular to its length as a point. The light is then coherent in this direction and incoherent perpendicular to it. To ensure temporal coherence, the spectrum of the light source must be sufficiently narrowband.
Die Farbinformation kann monochromatisch, zeitsequentiell oder durch Filtermittel räumlich in spektrale Anteile zerlegt werden. Matrixförmig angeordnete, elektronisch steuerbare Pixel, in denen z.B. ein Hologramm der 3D Szene bzw. eines Objektpunktes kodiert sein kann, modulieren bei Ansteuerung die Amplitude und/oder Phase des interferenzfähigen Lichts. The color information can be monochromatically, time-sequentially or spatially divided into spectral components by filter means. Matrix-arranged, electronically controllable pixels in which e.g. a hologram of the 3D scene or of an object point can be coded, modulate the amplitude and / or phase of the interference-capable light when triggered.
Ein holografisches Display für die Rekonstruktion einer farbigen 3d Szene kann zum Beispiel
rote, grüne und blaue Lichtquellen verwenden um zeitsequentiell rote, grüne und blaue Hologramme anzuzeigen. Die Erfindung kann auf ein solches Display angewendet werden, indem sinngemäß für jede einzelne Farbe die Intensitäten von Beugungsordnungen mehrer Lichtquellen dieser Farbe überlagert werden. For example, a holographic display for the reconstruction of a colored 3d scene Red, green and blue light sources use time-sequential red, green and blue holograms. The invention can be applied to such a display by mutatis mutandis for each individual color, the intensities of diffraction orders of multiple light sources of this color are superimposed.
Die Erfindung kann z.B. in einem holografischen Display eingesetzt werden, in dem die The invention may e.g. be used in a holographic display in which the
Lichtquellen, bezogen auf jeweils ein Abbildungselement, für wechselnde Positionen von Light sources, based on one imaging element, for changing positions of
Augenpupillen in unterschiedlichen Kombinationen von Positionen und/oder Anzahl zueinander ansteuerbar einschaltbar sind. Eye pupil in different combinations of positions and / or number to each other controllable switched.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten abhängigen Patentansprüche und auf die Erläuterungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen verwiesen. In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung There are various possibilities for designing and developing the illumination device according to the invention in an advantageous manner. Reference is made to the subordinate to the patent claim 1 dependent claims and to the explanations of the preferred embodiments of the invention with reference to drawings. In the drawings show in schematic representation
Fig. 1 in Draufsicht eine vereinfacht dargestellte Rekonstruktion eines Teils einer 3D 1 is a plan view of a simplified representation of a part of a 3D
Szene mit einer Lichtquelle, nach dem Stand der Technik, Scene with a light source, according to the prior art,
Fig 2 in Draufsicht eine vereinfacht dargestellte Rekonstruktion eines Teils einer 3D FIG. 2 is a plan view of a simplified representation of a part of a 3D
Szene gemäß der Erfindung, Scene according to the invention,
Fig 2a ein Ausführungsbeispiel zum Erzeugen von Beugungsordnungen zweier 2a shows an embodiment for generating diffraction orders of two
Lichtquellenbilder in einer Abbildungsebene, Light source images in an image plane,
Fig 2b ein Ausführungsbeispiel der Rekonstruktion eines Objektpunktes, mit einem 2b shows an embodiment of the reconstruction of an object point, with a
Sichtbarkeitsbereich mit überlagerten Fernfeldbeugungsmustern, gemäß der Erfindung, Visibility range with superimposed far-field diffraction patterns, according to the invention,
Fig 3 ein Diagramm von überlagerten Intensitätsverläufen in einem Sichtbarkeitsbereich, der überlagerte Beugungsordnungen dreier Lichtquellen aufweist, gemäß der Erfindung, 3 shows a diagram of superimposed intensity profiles in a visibility region which has superimposed diffraction orders of three light sources, according to the invention, FIG.
Fig 4 ein Ausführungsbeispiel einer Rekonstruktion eines Teils einer 3D Szene, die mit einem Burckhardt Hologramm kodiert ist, und 4 shows an embodiment of a reconstruction of a part of a 3D scene which is coded with a Burckhardt hologram, and
Fig 5 ein Beispiel zum Ermitteln der Positionen von einzuschaltenden Lichtquellen der 5 shows an example for determining the positions of light sources to be turned on
Beleuchtungsvorrichtung von Fig. 4. Illumination device of FIG. 4.
In den Figuren 1 bis 5 sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf In FIGS. 1 to 5, the same components have been designated by the same reference numerals. The embodiments of the invention described below relate to
Beleuchtungsvorrichtungen, die z.B. reelle oder virtuelle Lichtquellen aufweisen können, die auch sekundäre Lichtquellen sein können. Sekundäre Lichtquellen sind beispielsweise ansteuerbare Öffnungen eines Shutterdisplays, welche z.B. mit einem Array von konventionellen Lichtquellen flächig beleuchtet werden. Eine reale näherungsweise punktförmige Lichtquelle kann Lighting devices, e.g. may have real or virtual light sources, which may also be secondary light sources. Secondary light sources are, for example, controllable apertures of a shutter display, which e.g. be illuminated with an array of conventional light sources. A real approximately punctiform light source can
beispielsweise ein Laser sein. for example, be a laser.
Die Erfindung nutzt die Beugung von Licht an einer Matrix von Öffnungen, die ein steuerbarer Lichtmodulator in einer Beleuchtungsvorrichtung sein kann, wobei Intensitäten von The invention makes use of the diffraction of light at a matrix of openings, which may be a controllable light modulator in a lighting device, wherein intensities of
Beugungsordnungen sich in einer Betrachterebene periodisch wiederholen. An der Position einer Augenpupille wird ein Intensitätsmaximum einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle als Sichtbarkeitsbereich festgelegt. Diffraction orders are repeated periodically in a viewer plane. At the position of an eye pupil, an intensity maximum of a diffraction order of a first light source is set as the visibility range.
Die Größe eines Sichtbarkeitsbereichs ist durch den Pixelpitch p des verwendeten steuerbaren räumlichen Lichtmodulators, durch die Wellenlänge λ des verwendeten Lichts und durch den Abstand D der Augenposition eines Betrachters zu den Pixeln der Pixelmatrix des The size of a visibility area is defined by the pixel pitch p of the controllable spatial light modulator used, by the wavelength λ of the light used and by the distance D of the eye position of a viewer to the pixels of the pixel matrix of FIG
Lichtmodulators mit Light modulator with
SB = λ/ρ D SB = λ / ρ D
definiert. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mit einer Beleuchtungsvorrichtung einen Are defined. The invention is based on the idea with a lighting device a
Sichtbarkeitsbereich mit einer Überlagerung von Intensitäten unterschiedlicher Visibility area with a superposition of intensities of different
Beugungsordnungen oder mindestens Teilen von Intensitäten dieser Beugungsordnungen mehrerer eingeschalteter Lichtquellen zu erzeugen. Die Positionen der Lichtquellen zueinander können von Steuerelementen variierbar eingeschaltet werden, um an vorgegebenen Positionen von Augenpupillen in unterschiedlichen Betrachterebenen einen Sichtbarkeitsbereich zu erzeugen. Für jeweils ein Abbildungselement können mindestens zwei Lichtquellen steuerbar eingeschaltet werden, deren Beugungsordnungen im Sichtbarkeitsbereich eine Gesamtintensität aufweisen, die aus einer Überlagerung von mindestens zwei unterschiedlichen Intensitäten besteht. Diese Intensitäten können das Intensitätsmaximum einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle und das Intensitätsmaximum/ die Intensitätsmaxima mindestens einer weiterenTo produce diffraction orders or at least parts of intensities of these diffraction orders of multiple light sources switched on. The positions of the light sources relative to one another can be variably switched on by control elements in order to generate a visibility region at predetermined positions of eye pupils in different observer planes. For at least one imaging element, at least two light sources can be controllably switched on, whose diffraction orders in the visibility region have an overall intensity which consists of a superposition of at least two different intensities. These intensities may be the intensity maximum of a diffraction order of a first light source and the intensity maximum / the intensity maxima of at least one other
Beugungsordnung mindestens einer zweiten eingeschalteten Lichtquelle sein. Vorzugsweise sind die Intensitäten weiterer Beugungsordnungen eingeschalteter Lichtquellen jeweils mit dem Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs zu überlagern. Da Intensitäten von mindestens zwei Beugungsordnungen zu einer Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich überlagerbar sind, können mindestens zwei erzeugte Rekonstruktionen der 3D Szene am gleichen Ort mit unterschiedlichen Intensitäten zu einer Rekonstruktion überlagert werden. Diese Rekonstruktion kann mit einer Helligkeit wahrgenommen werden, die der Gesamtintensität bzw. den
überlagerten Intensitäten im Sichtbarkeitsbereich entspricht. Be diffraction order of at least one second switched-light source. Preferably, the intensities of further diffraction orders of switched-on light sources are to be superimposed in each case with the intensity maximum of the visibility range. Since intensities of at least two diffraction orders can be superimposed to form a total intensity in the visibility range, at least two reconstructions of the 3D scene produced at the same location with different intensities can be superimposed on a reconstruction. This reconstruction can be perceived with a brightness equal to the total intensity overlaid intensities in the visibility range.
Der Begriff Helligkeit versteht sich allgemein als Intensität der auf einen Beobachter wirkenden Strahlung. Helligkeit ist die Wahrnehmung der Intensität von Licht. The term brightness is generally understood to mean the intensity of the radiation acting on an observer. Brightness is the perception of the intensity of light.
Mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kann ein sogenanntes Lichtquellentracking dreidimensional ausgeführt werden. Eine Rekonstruktion einer 3D Szene können mehrere Betrachter sehen, wenn Rekonstruktionen z.B. sequentiell für Betrachteraugen unterschiedlicher Betrachter erzeugt werden können. Die Betrachter sollten sich in einem Bereich oder in unterschiedlichen Ebenen eines Betrachterraums aufhalten, dessen Größe von technischen Parametern eines holografischen Displays vorgebbar ist. Die Erfindung ist aber auch für andere Trackingverfahren anwendbar, z.B. für Abbildungselemente, die mit Elektrowettingzellen Licht zu Augenpupillen führen sollen. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung werden entsprechend den Darstellungen der Figuren 2 bis 5 näher beschrieben. Das Intensitätsmaximum der 0. With the lighting device according to the invention, a so-called light source tracking can be performed three-dimensionally. A reconstruction of a 3D scene can be seen by multiple viewers when reconstructions e.g. can be generated sequentially for observer eyes of different observers. The observers should stay in one area or in different levels of a viewer's room whose size can be specified by technical parameters of a holographic display. However, the invention is also applicable to other tracking methods, e.g. for imaging elements, which should lead with Elektrowettingzellen light to eye pupils. Embodiments of the lighting device according to the invention will be described in more detail according to the representations of Figures 2 to 5. The intensity maximum of 0.
Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle soll stets als Sichtbarkeitsbereich nutzbar sein. Eine Beleuchtungsvorrichtung soll beispielsweise mit reellen oder virtuellen Lichtquellen ausführbar sein, wobei pro Abbildungselement die Anzahl der Lichtquellen LQ, LQ1 bis LQn betragen kann Anstelle einer rekonstruierten 3D Szene ist schematisch ein einzelner rekonstruierter Diffraction order of a first light source should always be usable as a visibility area. A lighting device should be executable, for example, with real or virtual light sources, wherein the number of light sources LQ, LQ1 to LQn may be per imaging element. Instead of a reconstructed 3D scene, a single reconstructed one is schematically illustrated
Objektpunkt in den Figuren dargestellt. Unter der Rekonstruktion eines Objektpunkts ist in der Beschreibung gleichfalls eine Rekonstruktion einer 3D Szene zu verstehen. Object point shown in the figures. The reconstruction of an object point is also to be understood in the description as a reconstruction of a 3D scene.
In Fig. 2 ist in Draufsicht eine Beleuchtungsvorrichtung mit eingeschalteten Lichtquellen LQ1 , LQ2 und LQ3, sowie einem Abbildungselement AE und einem Sichtbarkeitsbereich VW dargestellt. Ein Objektpunkt OP2, der beispielhaft einen Teil einer 3D Szene repräsentieren soll, ist in mindestens einem Bereich eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators ME mit einem Hologramm SH kodiert. Der Lichtmodulator und die Lichtquellen LQ1 , LQ2, LQ3 sind mit Steuerelementen CE verbunden, die von Steuersystemen steuerbar sind. Beispielsweise sind drei Lichtquellen LQ1 , LQ2, LQ3 eingeschaltet, die bei Ansteuerung mit einem FIG. 2 shows a top view of a lighting device with light sources LQ1, LQ2 and LQ3 switched on, as well as an imaging element AE and a visibility region VW. An object point OP2, which is intended to represent a part of a 3D scene by way of example, is coded in at least one area of a controllable spatial light modulator ME with a hologram SH. The light modulator and the light sources LQ1, LQ2, LQ3 are connected to controls CE which are controllable by control systems. For example, three light sources LQ1, LQ2, LQ3 are turned on, which when activated with a
Abbildungselement AE in eine Betrachterebene abgebildet werden sollen, in der sich moduliertes Licht mit Beugungsordnungen der drei Lichtquellen mit periodischen Wiederholungen fortsetzt. Die Lichtquellen LQ1 , LQ2 und LQ3 weisen Positionen zueinander auf, mit denen die Imaging element AE to be imaged in a viewer plane in which modulated light continues with diffraction orders of the three light sources with periodic repetitions. The light sources LQ1, LQ2 and LQ3 have positions with each other, with which the
Intensitäten der Beugungsordnungen dieser Lichtquellen Überlagerungen bilden können. Mit der 0. Beugungsordnung der mittleren Lichtquelle LQ2 wird der Sichtbarkeitsbereich normalerweise vorgegeben, da diese Beugungsordnung die größte Intensität (das Intensitätsmaximum) aufweist. Die Intensitäten -1 LQ1 der minus ersten Beugungsordnung der Lichtquelle LQ1 und
+1 LQ3, der plus ersten Beugungsordnung der Lichtquelle LQ3 sind im Sichtbarkeitsbereich mit der Intensität 0 LQ2 der nullten Beugungsordnung der Lichtquelle LQ2 zu einer Gesamtintensität überlagerbar. Die Überlagerung der Intensitäten der drei Lichtquellen setzt sich in weiteren Beugungsordnungen außerhalb des Sichtbarkeitsbereiches in der Betrachterebene fort. Intensities of the diffraction orders of these light sources can form overlays. With the 0th diffraction order of the middle light source LQ2, the visibility range is normally specified, since this diffraction order has the highest intensity (the intensity maximum). The intensities -1 LQ1 of the minus first diffraction order of the light source LQ1 and +1 LQ3, plus the first diffraction order of the light source LQ3 are superimposed in the visibility range with the intensity 0 LQ2 zeroth diffraction order of the light source LQ2 to a total intensity. The superimposition of the intensities of the three light sources continues in further diffraction orders outside the visibility range in the observer plane.
Im Sichtbarkeitsbereich wird das Intensitätsmaximum der 0. Beugungsordnung der Lichtquelle LQ2 mit einer Intensität der +1. Beugungsordnung der Lichtquelle LQ3 und einer Intensität der - 1. Beugungsordnung der Lichtquelle LQ1 überlagert. Die periodischen Wiederholungen der Intensitäten von Beugungsordnungen treten sowohl bezüglich der Betrachterebene als auch der Rekonstruktion des Objektpunktes auf, z.B. in Form der Objektpunkte OP1 , OP3. Werden je Abbildungselement die Positionen oder Abstrahlwinkel einer Anzahl einzuschaltender In the visibility range, the intensity maximum of the 0th diffraction order of the light source LQ2 becomes +1. Diffraction order of the light source LQ3 and an intensity of the - 1st diffraction order of the light source LQ1 superimposed. The periodic repetitions of the intensities of diffraction orders occur both with respect to the observer plane and the reconstruction of the object point, e.g. in the form of the object points OP1, OP3. Be per imaging element, the positions or angles of a number einzaltender
Lichtquellen so angesteuert, dass Intensitäten von Beugungsordnungen überlagerbar sind, dann sind sowohl im Sichtbarkeitsbereich Intensitäten überlagerbar als auch mit den Intensitäten erzeugte Rekonstruktionen. Eine Rekonstruktion des Objektpunktes OP2 weist daher drei am gleichen Ort überlagerte Rekonstruktionen auf, jeweils eine Rekonstruktion von jeder Lichtquelle LQ1 , LQ2 und LQ3, die mit unterschiedlichen Intensitäten am gleichen Ort erzeugbar sind. Das gleiche gilt für andere Objektpunkte einer 3D Szene OP1 und OP3. Controlled light sources so that intensities of diffraction orders are superimposed, then both in the visibility range intensities are superimposed as well as with the intensities generated reconstructions. A reconstruction of the object point OP2 therefore has three superimposed superimposed reconstructions, one reconstruction of each light source LQ1, LQ2 and LQ3, which can be generated at different intensities at the same location. The same applies to other object points of a 3D scene OP1 and OP3.
Die Augenpupille AP kann eine Rekonstruktion einer 3D Szene mit einer entsprechenden Helligkeit im Sichtbarkeitsbereich wahrnehmen, die der Gesamtintensität der überlagerten Rekonstruktionen entspricht. The eye pupil AP can perceive a reconstruction of a 3D scene with a corresponding brightness in the visibility region that corresponds to the overall intensity of the superimposed reconstructions.
Bevorzugt werden Lichtquellen verwendet, die zwar jede für sich hinreichend kohärentes Licht ausstrahlen, wobei aber die verschiedenen Lichtquellen zueinander nicht kohärent sind. Dann addieren sich die Intensitäten der jeweiligen Beugungsordnungen der einzelnen Lichtquellen im Sichtbarkeitsbereich auf. Ein Betrachter mit seinem Auge im Sichtbarkeitsbereich sieht dann eine entsprechend hellere Rekonstruktion als das bei einer einzelnen Lichtquelle der Fall wäre. It is preferable to use light sources which emit each coherent light of sufficient coherence, but the different light sources are not coherent with each other. Then the intensities of the respective diffraction orders of the individual light sources add up in the visibility range. A viewer with his eye in the visibility area then sees a correspondingly brighter reconstruction than would be the case with a single light source.
Dieses Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsvorrichtung kann in einem holografischen Display angewandt werden, bei welchem in den räumlichen Lichtmodulator ein entsprechend This embodiment of a lighting device can be applied in a holographic display in which in the spatial light modulator a corresponding
berechnetes Hologramm einer 3D Szene mit komplexen Werten kodiert wird und bei welchem die Rekonstruktion der 3D Szene Überlagerungen von drei Rekonstruktionen aufweist. Die so rekonstruierte 3D Szene ist mit einer Helligkeit im Sichtbarkeitsbereich wahrnehmbar, die der überlagerten Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entspricht. Ein weiteres calculated hologram of a 3D scene is encoded with complex values and in which the reconstruction of the 3D scene has overlays of three reconstructions. The thus reconstructed 3D scene is perceptible with a brightness in the visibility range which corresponds to the superimposed total intensity in the visibility range. Another one
Ausführungsbeispiel wird später anhand einer Burckhardt-Kodierung mit Fig. 4 und 5 Embodiment will be later with reference to a Burckhardt coding with Figs. 4 and 5
beschrieben. described.
Die Fig. 2a zeigt zwei eingeschaltete Lichtquellen LQ1 , LQ2 und ein Abbildungselement AE, mit
dem die Lichtquellen LQ1 , LQ2 in eine Abbildungsebene abgebildet werden, wobei das Licht an einer Matrix Gl von regelmäßig ausgerichteten Öffnungen gebeugt wird, so dass FIG. 2 a shows two switched on light sources LQ 1, LQ 2 and one imaging element AE, with the light sources LQ1, LQ2 are imaged in an imaging plane, wherein the light is diffracted at a matrix G1 of regularly aligned openings, so that
Lichtquellenbilder in periodischer Fortsetzung in der Abbildungsebene entstehen. Die Matrix Gl wirkt wie ein Beugungsgitter mit einer Vielzahl von Öffnungen, die in ihrer Anordnung einer Pixelstruktur eines SLM entsprechen, in den keine komplexen Werte einer 3D Szene Light source images in periodic continuation in the imaging plane arise. The matrix G1 acts like a diffraction grating with a multiplicity of openings, which in their arrangement correspond to a pixel structure of an SLM in which no complex values of a 3D scene
eingeschrieben sind. are inscribed.
Die Lichtquellen sind mit einem vorgebbaren Abstand zueinander und/oder mit einem The light sources are at a predeterminable distance from each other and / or with a
vorgebbaren Abstrahlwinkel eingeschaltet, so dass die Intensitäten der Lichtquellenbilder in der Abbildungsebene zueinander versetzt und überlagerbar sind. Im Beispiel sind die Intensitäten um eine Beugungsordnung zueinander versetzt. Es können weitere Lichtquellen je predetermined radiation angle turned on, so that the intensities of the light source images in the image plane offset from each other and are superimposed. In the example, the intensities are offset from one another by a diffraction order. There may be more light sources depending
Abbildungselement mit vorgebbaren Kombinationen von Abständen und/oder Abstrahlwinkeln eingeschaltet werden, so dass in verschiedenen Betrachterebenen Überlagerungen mit weiteren Intensitäten der weiteren eingeschalteten Lichtquellen entstehen können. Imaging element can be switched on with predeterminable combinations of distances and / or emission angles, so that superimpositions with further intensities of the further switched-on light sources can arise in different viewing planes.
Fig. 2b zeigt in vereinfachter Darstellung eine Beleuchtungsvorrichtung mit zwei Lichtquellen LQ1 , LQ2 für z.B. ein holografisches Display. Fig. 2b shows in a simplified representation a lighting device with two light sources LQ1, LQ2 for e.g. a holographic display.
Lichtquellen LQ1 , LQ2 eines Lichtquellenarrays, die mit Steuerelementen CE einschaltbar sind, sind einem Abbildungselement AE zum Abbilden der Lichtquellen LQ1 , LQ2 zugeordnet. Die Lichtquellen LQ1 , LQ2 im Array weisen zweidimensionale Daten auf, mit denen ihre Positionen im Array bestimmt werden können. Mit den Positionsdaten können die Lichtquellen für eine ermittelte Position von Augenpupillen angesteuert eingeschaltet werden. Light sources LQ1, LQ2 of a light source array, which can be switched on with control elements CE, are assigned to an imaging element AE for imaging the light sources LQ1, LQ2. The light sources LQ1, LQ2 in the array have two-dimensional data that can be used to determine their positions in the array. The position data can be used to switch on the light sources for a determined position of eye pupils.
Die Lichtquelle LQ1 soll mittig zur optischen Achse des Abbildungselements AE angeordnet sein, die Lichtquelle LQ2 ist dazu um einen Abstand d versetzt angeordnet. Bei Ansteuerung derThe light source LQ1 should be arranged centrally to the optical axis of the imaging element AE, the light source LQ2 is arranged offset by a distance d. When controlling the
Lichtquellen LQ1 , LQ2 beleuchtet das Licht einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator ME, in den ein Hologramm SH für einen Objektpunkt als Teil einer 3D Szene eingeschrieben ist. Das Steuerelement CE steuert auch den Lichtmodulator ME an bzw. schreibt das Hologramm SH in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator ME ein. Anstelle der Lichtquellenbilder von Fig. 2a entstehen in einer Betrachterebene, die in Fig. 2a die Abbildungsebene ist, Light sources LQ1, LQ2 illuminates the light a controllable spatial light modulator ME, in which a hologram SH is inscribed for an object point as part of a 3D scene. The control element CE also controls the light modulator ME or writes the hologram SH into the controllable spatial light modulator ME. In place of the light source images of FIG. 2a, in a viewer plane, which is the image plane in FIG. 2a,
Intensitätsverteilungen IV1 , IV2 von Beugungsordnungen des eingeschriebenen Hologramms SH, mit denen ein Sichtbarkeitsbereich an der Position einer Augenpupille AP erzeugbar ist. Die Betrachterebene ist das Fernfeld der Lichtquellen, so dass die Intensitätsverteilungen IV1 , IV2 auch als Fernfeldbeugungsmuster bezeichnet werden. Intensity distributions IV1, IV2 of diffraction orders of the inscribed hologram SH, with which a visibility range at the position of an eye pupil AP can be generated. The observer plane is the far field of the light sources, so that the intensity distributions IV1, IV2 are also referred to as far field diffraction patterns.
Sind beide Lichtquellen LQ1 , LQ2 angesteuert eingeschaltet, so wird der Sichtbarkeitsbereich an der Augenpupille AP mit einer Gesamtintensität erzeugt, welche das Intensitätsmaximum der 0.
Beugungsordnung der ersten Lichtquelle LQ1 aufweist, das mit einem Teil der Intensität der +1 . Beugungsordnung der zweiten Lichtquelle LQ2 überlagert ist. If both light sources LQ1, LQ2 are switched on activated, then the visibility region is generated at the eye pupil AP with a total intensity which is the intensity maximum of 0. Diffraction order of the first light source LQ1 having a part of the intensity of +1. Diffraction order of the second light source LQ2 is superimposed.
Im Sichtbarkeitsbereich ist mit der Augenpupille AP eine Rekonstruktion des Objektpunktes OP1 sichtbar, die eine Überlagerung der mit der Intensität der 0. Beugungsordnung und der +1 . In the field of visibility, a reconstruction of the object point OP1 is visible with the eye pupil AP, which is a superposition of the with the intensity of the 0th diffraction order and the +1.
Beugungsordnung erzeugten Rekonstruktionen ist. Mit einer Überlagerung der Intensitäten im Sichtbarkeitsbereich ist der Objektpunkt OP1 mit einer Helligkeit zu sehen, die der Diffraction order is generated reconstructions. With a superimposition of the intensities in the visibility region, the object point OP1 is to be seen with a brightness which is the same as that of the object
Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich äquivalent ist. Durch diese Überlagerung kann die Gesamthelligkeit einer Rekonstruktion im Vergleich zur Verwendung nur einer Lichtquelle je Abbildungselement AE gesteigert werden. Total intensity in the visibility area is equivalent. As a result of this superimposition, the overall brightness of a reconstruction can be increased in comparison with the use of only one light source per imaging element AE.
Es können ohne weiteres, je nach Breite des Abbildungselements AE, mehr als zwei Lichtquellen je Abbildungselement zum Erzeugen einer Rekonstruktion angesteuert eingeschaltet sein. Die einzuschaltenden Lichtquellen können auch einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass Lichtquellenbilder in der Betrachterebene um beispielsweise 2 oder 3 oder eine andere Zahl von Beugungsordnungen zueinander versetzt sind. Die Positionen anzusteuernder Lichtquellen können entsprechend einer aktuellen Position von Augenpupillen zum Erzeugen des Depending on the width of the imaging element AE, more than two light sources per imaging element can be switched on to trigger a reconstruction. The light sources to be switched on may also have such a distance from each other that light source images in the observer plane are offset from one another by, for example, 2 or 3 or a different number of diffraction orders. The positions of light sources to be driven may be corresponding to a current position of eye pupils for generating the light source
Sichtbarkeitsbereichs softwaremäßig programmiert in Speichermitteln vorliegen. Weiterhin können im Ausführungsbeispiel die Lichtquellen zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs an Positionen variierbar angesteuert geschaltet werden, die abhängig von einer 1 D- oder 2D- Kodierung der 3D Szene in vertikaler oder/und horizontaler Richtung sind. Visibility area software-programmed in storage means present. Furthermore, in the exemplary embodiment, the light sources for generating the visibility region can be variably activated at positions which are dependent on a 1D or 2D coding of the 3D scene in the vertical or / and horizontal direction.
Das Ermitteln eines Abstandes d der einzuschaltenden Lichtquellen zueinander bzw. der Position der einzuschaltenden Lichtquellen wird nachfolgend beschrieben. Die Größe des The determination of a distance d of the light sources to be switched on relative to one another or the position of the light sources to be switched on is described below. The size of the
Sichtbarkeitsbereichs, in dem die 3D Szene rekonstruiert wird, war oben mit SB = λ/ρ D definiert worden. Eine Beugungsordnung des Lichtmodulators ME hat dann im Abstand D die Visibility area in which the 3D scene is reconstructed was defined above with SB = λ / ρ D. A diffraction order of the light modulator ME then has the distance D
Ausdehnung D * K/p. Extension D * K / p.
Nach dem Stand der Technik wird bei einem holografischen Display mit mindestens According to the prior art is at a holographic display with at least
Lichtquellenarray, Abbildungselementen und SLM die Lichtquelle in die Betrachterebene abgebildet. Weitere einzuschaltende Lichtquellen sind gemäß der Erfindung so anzuordnen, dass ihr Lichtquellenbild in der Betrachterebene um ein ganzzahliges Vielfaches eines Intervalls der Ausdehnung der Beugungsordnung der Pixelmatrix verschoben ist, also um N*D* λ/ρ, wobei N eine ganze Zahl ist. Light source array, imaging elements and SLM the light source imaged in the observer plane. Further light sources to be switched on are to be arranged according to the invention in such a way that their light source image in the observer plane is shifted by an integer multiple of an interval of the extension of the diffraction order of the pixel matrix, ie by N * D * λ / ρ, where N is an integer.
Gemäß der geometrischen Optik gilt für die Lichtquelle und das Abbildungselement eine According to the geometric optics applies to the light source and the imaging element a
Abbildungsgleichung. Die Vergrößerung einer Linse ist allgemein definiert als der Faktor
Bildweite BW durch Gegenstandsweite GW. Damit die Lichtquellenbilder in der Betrachterebene für zwei Lichtquellen also um N*D* λ/ρ gegeneinander versetzt werden können, müssen die Lichtquellen zueinander einen lateralen Abstand GW/BW * N*D* λ/ρ aufweisen. In der Regel befindet sich das Abbildungselement nah am Lichtmodulator ME, dann ist die Bildweite BW ungefähr gleich dem Betrachterabstand D, und die Gleichung vereinfacht sich zu N*GW* λ/ρ für den Abstand zweier einzuschaltender Lichtquellen je Abbildungselement. Der Abstand der Lichtquellen zueinander hängt weiterhin von der Lichtwellenlänge ab. Für ein holografisches Farbdisplay müssten zum Rekonstruieren einer hellen 3D Szene unterschiedliche Abstände für rote, grüne und blaue Lichtquellen gewählt werden. Imaging equation. The magnification of a lens is generally defined as the factor Image BW by object size GW. Thus, the light source images in the observer plane for two light sources so by N * D * λ / ρ can be offset from each other, the light sources must have a lateral distance GW / BW * N * D * λ / ρ to each other. In general, the imaging element is close to the light modulator ME, then the image width BW is approximately equal to the observer distance D, and the equation simplifies to N * GW * λ / ρ for the distance between two light sources to be switched per imaging element. The distance between the light sources to each other still depends on the wavelength of light. For a holographic color display, different distances for red, green and blue light sources would have to be selected to reconstruct a bright 3D scene.
Im Allgemeinen kann ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator auch rechteckige Pixel mit einem unterschiedlichen Pixelpitch in horizontaler und vertikaler Richtung aufweisen. Dann ist in obigen Gleichungen wahlweise für p ein horizontaler oder ein vertikaler Pitch einzusetzen, um In general, a controllable spatial light modulator may also have rectangular pixels with a different pixel pitch in the horizontal and vertical directions. Then, in the above equations, optionally for p, insert a horizontal or a vertical pitch to
horizontale oder vertikale Abstände der Lichtquellen zu ermitteln. determine horizontal or vertical distances of the light sources.
Die Lichtquellen des Arrays können vertikal übereinander angeordnet werden, um das The light sources of the array can be arranged vertically one above the other to the
Übersprechen anderer Beugungsordnungen in ein Nachbarauge des Betrachters nicht zu erhöhen. Bei einer 2D Kodierung ist eine Ansteuerung der Lichtquellen in zwei Dimensionen, z.B. in der Form eines Kreuzes, vorteilhaft. Crosstalk other diffraction orders in a neighboring eye of the observer does not increase. In a 2D coding, driving the light sources in two dimensions, e.g. in the form of a cross, beneficial.
Wird das Array von Lichtquellen in Kombination mit einem Lentikular von übereinander angeordneten Linsen benutzt, können für jedes Abbildungselement, also für jede Linse des Lentikulars, mehrere Lichtquellen wenigstens vertikal angesteuert eingeschaltet werden. Für jedes Abbildungselement sind mindestens zwei Lichtquellen vertikal übereinander oder horizontal nebeneinander angesteuert einschaltbar, wobei Pixelspalten oder Pixelzeilen eines If the array of light sources used in combination with a lenticular of superposed lenses, for each imaging element, that is, for each lens of the lenticular, several light sources are switched on at least vertically controlled. For each imaging element, at least two light sources can be switched on vertically one above the other or horizontally next to one another, with pixel columns or pixel lines of one pixel
Shuttersdisplays als streifenförmige sekundäre Lichtquellen ansteuerbar sind. Shutter displays are controllable as strip-shaped secondary light sources.
In einer weiteren Ausgestaltung sind Lichtquellen für jede Linse des Lentikulars ansteuerbar, die horizontal und vertikal in Form eines Kreuzes angeordnet sind. In a further embodiment, light sources for each lens of the lenticular can be controlled, which are arranged horizontally and vertically in the form of a cross.
Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung Lichtquellen mit einer regelmäßigen For example, the lighting device can light sources with a regular
Anordnung aufweisen. Sie kann zum Beispiel ein Lichtquellenarray mit vorteilhafterweise streifenförmigen oder punktförmigen Lichtquellen aufweisen. Streifenförmige Lichtquellen können durch spalten- oder zeilenweise Ansteuerung der Lichtquellen je Abbildungselement für eine streifenförmige Beleuchtung formiert werden, wenn ein optisches Abbildungsmittel mit streifenförmigen Abbildungselementen, wie z.B. ein Lentikular, im Strahlengang verwendet werden soll. Die Abbildungselemente sollen mit einer vorgegebenen Anzahl einzelner
Lichtquellen z.B. einen Sichtbarkeitsbereich an unterschiedlichen Positionen bilden können. Das Hologramm eines zu rekonstruierenden Objektpunktes kann bei Betrachternachführung wahlweise ortsfest kodiert bleiben oder neu kodiert werden. Da die Position des zu Have arrangement. It may, for example, have a light source array with advantageously striped or punctiform light sources. Strip-shaped light sources can be formed by column or line-wise control of the light sources per imaging element for a strip-shaped illumination when an optical imaging means with strip-shaped imaging elements, such as a lenticular, to be used in the beam path. The imaging elements should have a given number of individual For example, light sources can form a visibility area at different positions. The hologram of an object point to be reconstructed can optionally remain fixedly coded or re-encoded in observer tracking. Because the position of the
rekonstruierenden Objektpunktes abhängig von der Position der Augenpupille wechseln kann, sollen Intensitäten mindestens zweier Beugungsordnungen der eingeschalteten Lichtquellen, die einem Abbildungselement zugeordnet sind, an dieser Augenposition überlagert werden können. Die zum Rekonstruieren des Objektpunktes festgelegte Beugungsordnung für eine der Reconstructing object point can change depending on the position of the eye pupil, intensities of at least two orders of diffraction of the switched light sources, which are assigned to an imaging element, can be superimposed on this eye position. The order of diffraction fixed for reconstructing the object point for one of
Lichtquellen weist bevorzugt die größte Intensität für die erzeugte Rekonstruktion auf im Light sources preferably has the greatest intensity for the reconstruction produced in the
Vergleich zu anderen Beugungsordnungen. Der Überlagerung der Rekonstruktion mehrer Lichtquellen entspricht eine Addition der Intensitäten am gleichen Ort. Comparison to other diffraction orders. The superposition of the reconstruction of several light sources corresponds to an addition of the intensities at the same location.
Da Intensitäten von mindestens zwei Beugungsordnungen zu einer Gesamtintensität am Ort des Sichtbarkeitsbereichs überlagerbar sind, können mit diesen Intensitäten am gleichen Ort mindestens zwei Rekonstruktionen der 3D Szene erzeugt und überlagert werden, die mit der Gesamtintensität des Sichtbarkeitsbereichs als eine erzeugte Rekonstruktion der 3D Szene mit entsprechender Helligkeit in der Augenpupille wahrnehmbar ist. Diese Rekonstruktion der 3D Szene kann im Sichtbarkeitsbereich mit einer Helligkeit wahrgenommen werden, die der Since intensities of at least two diffraction orders can be superimposed to a total intensity at the location of the visibility area, these intensities at the same location can be used to create and superimpose at least two reconstructions of the 3D scene, with the total intensity of the visibility area as a generated reconstruction of the 3D scene with corresponding brightness is perceptible in the eye pupil. This reconstruction of the 3D scene can be perceived in the field of visibility with a brightness that the
Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entspricht. Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Intensitätsverteilungen der Beugungsordnungen der Total intensity in the visibility range. Fig. 3 shows a diagram of the intensity distributions of the diffraction orders of
Lichtquellenbilder von drei eingeschalteten Lichtquellen einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung, sowie die Einhüllende bzw. deren Überlagerung der Intensitäten im Fernfeld, das dem Ort des Sichtbarkeitsbereichs VW entspricht. Die Einhüllende ist für ein einzelnes Pixel mit einem Füllfaktor bzw. einer Apertur von 70 % des Pixelpitches in einer Richtung und mit einem Transmissionsverlauf eines rechteckigen Pixels angegeben. Die Grafik bezieht sich auf die in Fig. 2 gezeigten drei Lichtquellen LQ1 , LQ2, LQ3. Die Grenzen des Sichtbarkeitsbereichs VW, der auf eine Beugungsordnung festgelegt ist, sind in Fig. 3 mittig zur 0. Beugungsordnung mit vertikalen Linien angegeben. Die Intensitätsmaxima der drei Intensitätserteilungen 11 , 12, 13 der Lichtquellen LQ1 , LQ2, LQ3 sind annähernd gleich groß und im Abstand einer Beugungsordnung zueinander versetzt dargestellt. Das Light source images of three switched-light sources of a lighting device according to the invention, and the envelope or their superposition of the intensities in the far field, which corresponds to the location of the visibility range VW. The envelope is given for a single pixel with a fill factor or aperture of 70% of the pixel pitch in one direction and with a transmission path of a rectangular pixel. The graph refers to the three light sources LQ1, LQ2, LQ3 shown in FIG. The limits of the visibility range VW, which is set to a diffraction order, are indicated in FIG. 3 in the middle of the 0th order of diffraction with vertical lines. The intensity maxima of the three intensity distributions 11, 12, 13 of the light sources LQ1, LQ2, LQ3 are approximately equal in size and offset from one another at the spacing of a diffraction order. The
Intensitätsmaximum zweier Lichtquellen LQ1 , LQ3 liegt jeweils außerhalb des Intensity maximum of two light sources LQ1, LQ3 is outside the
Sichtbarkeitsbereichs. Die kombinierte Kurve der Einhüllenden zeigt eine vorteilhafte Erhöhung der Intensitäten zu einer Gesamtintensität (eine im Mittel über den Sichtbarkeitsbereich um 50% erhöhte Visibility region. The combined curve of the envelope shows a beneficial increase in intensities to a total intensity (one increased on average over the visibility range by 50%
Gesamtintensität), sowie einen über den Sichtbarkeitsbereich gleichmäßigeren Verlauf der
Gesamtintensität im Vergleich zu der Einzelintensität 12 von der Lichtquelle LQ2. Overall intensity), as well as a more consistent course over the visibility range Total intensity compared to the single intensity 12 from the light source LQ2.
Die Einhüllenden gibt die Gesamtintensität aus drei inkohärent addierten Intensitäten 11 , 12, 13 von eingeschalteten Lichtquellen LQ1 , LQ2, LQ3 an. Gemäß der Grafik weist der The envelope indicates the total intensity of three incoherently added intensities 11, 12, 13 of switched-on light sources LQ1, LQ2, LQ3. According to the graph, the
Sichtbarkeitsbereich bei drei eingeschalteten Lichtquellen LQ1 , LQ2, LQ3 (also 300 % Intensität der Lichtquellen) eine Gesamtintensität von insgesamt 150 % im Vergleich zur Intensität einer einzelnen Lichtquelle auf. Die Effizienz der Leistung der eingeschalteten Lichtquellen nimmt zwar ab, jedoch erhöht sich die Helligkeit einer Rekonstruktion einer 3D Szene, die im Visibility range for three switched on light sources LQ1, LQ2, LQ3 (ie 300% intensity of the light sources) a total intensity of 150% compared to the intensity of a single light source on. Although the efficiency of the power of the switched-on light sources decreases, the brightness of a reconstruction of a 3D scene, which in the
Sichtbarkeitsbereich mit einer Augenpupille wahrnehmbar ist. Visibility range is perceptible with an eye pupil.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein holografisches Display, das eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtquellenarray gemäß Anspruch 1 , sowie Abbildungselemente und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator ME aufweist, in den ein Hologramm einer 3D Szene eingeschrieben werden kann, die in einem Sichtbarkeitsbereich mit mindestens zwei The invention further comprises a holographic display comprising a lighting device with a light source array according to claim 1, as well as imaging elements and a controllable spatial light modulator ME into which a hologram of a 3D scene can be inscribed, which in a visibility region comprises at least two
überlagerten Rekonstruktionen mit einer Gesamtintensität erzeugbar ist, die aus addierten Intensitäten mindestens zweier überlagerter Beugungsordnungen von Lichtquellenbildern eingeschalteter Lichtquellen resultiert, wobei zur Positionsänderung des Sichtbarkeitsbereichs eine Anzahl von Lichtquellen je Abbildungselement mit Steuersystemen variierbar vorgebbar aktivierbar bzw. deaktivierbar ist. Der steuerbare räumliche Lichtmodulator weist vorzugsweise eine Pixelmatrix auf. superimposed reconstructions with an overall intensity can be generated, which results from added intensities of at least two superimposed diffraction orders of light source images switched light sources, wherein for changing the position of the visibility range, a number of light sources per imaging element with control systems can be variably preset activated or deactivated. The controllable spatial light modulator preferably has a pixel matrix.
Die Abbildungselemente können eine regelmäßige Linsenanordnung eines Linsenarrays sein. Die Steuersysteme enthalten Steuerelemente, mit denen z.B. die Lichtquellen der The imaging elements may be a regular lens array of a lens array. The control systems include controls for e.g. the light sources of
Beleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereichs ansteuerbar sind, oder Steuerelemente, mit denen die Lichtmodulation eines Lichtmodulators steuerbar ist. Die Lighting device for generating a visibility area are controlled, or controls with which the light modulation of a light modulator is controllable. The
Positionsverfolgung von Betrachteraugen kann kontinuierlich durchgeführt werden, um einen Sichtbarkeitsbereich für aktuell erfasste Positionen von Augenpupillen ständig erzeugen zu können. Ein Positionsfinder erfasst die Positionsdaten der Augenpupillen eines Betrachters. Die Positional tracking of observer eyes can be performed continuously to constantly generate a visibility area for currently detected positions of eye pupils. A position finder acquires the position data of the eye pupils of a viewer. The
Steuersysteme senden und empfangen Daten zu und von den Steuerelementen der einzelnen Displaykomponenten unter Nutzung von Erfassungs- und Regelungssystemen des Control systems send and receive data to and from the controls of the individual display components using sensing and control systems of the present invention
holografischen Displays. Reelle oder virtuelle Lichtquellen, die nebeneinander in horizontaler oder/und vertikaler Richtung einzeln steuerbar einschaltbar sind, und die einem Abbildungselement zugeordnet sind, können z.B. eindimensional bezüglich ihres lateralen Abstands zueinander bzw. des Abstrahlwinkels, in
dem sie den steuerbaren Lichtmodulator beleuchten, so kombiniert werden, dass die den einzelnen Lichtquellen zugeordneten Beugungsordnungen in einer Betrachterebene um ein ganzzahliges Vielfaches - eine ganze Zahl mit Betrag größer gleich 1 - des Intervalls einer einzelnen Beugungsordnung zueinander versetzt sind. holographic displays. Real or virtual light sources, which can be switched on individually controllable side by side in the horizontal and / or vertical direction, and which are assigned to an imaging element can, for example, one-dimensional with respect to their lateral distance from each other or the radiation angle, in they illuminate the controllable light modulator, are combined so that the diffraction orders assigned to the individual light sources are offset in an observer plane by an integer multiple - an integer greater than or equal to 1 - the interval of a single diffraction order to each other.
Soll mit dem holografischen Display eine 3D Szene, die aus mindestens einem Objektpunkt besteht, rekonstruiert werden, sind zunächst die Positionen der Augenpupillen zu ermitteln, um für diese Positionen einen Sichtbarkeitsbereich zu erzeugen. Von einem If a 3D scene consisting of at least one object point is to be reconstructed with the holographic display, first the positions of the eye pupils are to be determined in order to generate a visibility region for these positions. Of a
Positionserfassungssystem, das ständig die Position von Augenpupillen erfasst, übermittelt an Steuersysteme die Positionsdaten, mit denen Steuerelemente in der Beleuchtungsvorrichtung in einem Lichtquellenarray eine vorgegebene Anzahl von Lichtquellen einschalten. Mit den Position detection system which constantly detects the position of eye pupils transmits to control systems the position data with which controls in the lighting device in a light source array turn on a predetermined number of light sources. With the
Steuerelementen werden mit einem Softwareprogramm die Lichtquellen je Abbildungselement eingeschaltet, mit denen für die Position der Augenpupille der Sichtbarkeitsbereich mit jeweils einem Intensitätsmaximum erzeugt werden kann, wobei die Intensitäten zum Control elements are switched with a software program, the light sources per imaging element, which can be generated for the position of the eye pupil of the visibility range, each with an intensity maximum, the intensities for
Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene überlagert werden. Die Intensität des Visibility area are superimposed in the observer level. The intensity of the
Sichtbarkeitsbereichs wird mit Intensitäten eingeschalteter Lichtquellen je Abbildungselement im Sichtbarkeitsbereich zu einer Gesamtintensität überlagert. Das Licht der Lichtquellen wird mit dem steuerbaren Lichtmodulator mit dem Hologramm der kodierten 3D Szene beeinflusst, wodurch eine Rekonstruktion der 3D Szene erzeugbar ist, zu der mit den einzelnen Intensitäten erzeugte Rekonstruktionen überlagerbar sind. Visibility area is superimposed with intensity of light sources switched per imaging element in the visibility area to a total intensity. The light of the light sources is influenced by the controllable light modulator with the hologram of the encoded 3D scene, whereby a reconstruction of the 3D scene can be generated, to which superimposed with the individual intensities reconstructions are superimposed.
Bei Positionswechsel des Betrachters werden mit den Steuersystemen, abhängig von den übermittelten Positionsdaten des Betrachters, Lichtquellen derart angesteuert, dass mit neuen Steuerwerten eine Rekonstruktion der 3D Szene an der Position eines neu erzeugten When changing the position of the observer, the control systems, depending on the transmitted position data of the observer, light sources are controlled such that with new control values, a reconstruction of the 3D scene at the position of a newly generated
Sichtbarkeitsbereichs zu sehen ist. Die Positionen der einzuschaltenden Lichtquellen sind so auszuwählen, dass Intensitäten mindestens eines Teils einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle mit mindestes eines Teils einer weiteren Beugungsordnung mindestens einer zweiten Lichtquelle , sowohl für die Rekonstruktion des Objektpunktes als auch im Sichtbarkeitsbereich der Betrachterebene überlagerbar sind. Visibility area can be seen. The positions of the light sources to be switched on are to be selected so that intensities of at least part of a diffraction order of a first light source with at least part of a further diffraction order of at least one second light source can be superimposed both for the reconstruction of the object point and in the visibility region of the observer plane.
Die Erfindung ist wahlweise in holografischen Displays mit unterschiedlichen Arten von The invention is optionally in holographic displays with different types of
Lichtmodulatoren (zum Beispiel Amplituden- oder Phasenmodulator) und unterschiedlichen Kodierverfahren anwendbar, wie z.B. mit einer Kodierung von komplexen Werten, einer Light modulators (for example, amplitude or phase modulator) and different coding methods applicable, such. with a coding of complex values, one
Phasenkodierung, einer Burckhardt Kodierung etc.. Bei den Kodierverfahren ist zu beachten, dass die versetzt zueinander liegenden Beugungsordnungen in der Betrachterebene im Phase coding, a Burckhardt coding, etc. In the coding process, it should be noted that the diffraction orders offset in relation to each other in the observer plane in the
Sichtbarkeitsbereich miteinander überlagerte periodische Wiederholungen mit einer modulierten 3D Szene aufweisen, und nicht solche Bereiche, mit denen z.B. bei der Burckhardt Kodierung
räumlich invertierte Rekonstruktionen erzeugt werden. Visibility area have superimposed periodic repeats with a modulated 3D scene, and not such areas, with which, for example, in Burckhardt coding spatially inverted reconstructions are generated.
Die Burckhardt Kodierung wird anhand von Fig. 4 und Fig. 5 erläutert. The Burckhardt coding will be explained with reference to FIGS. 4 and 5.
In Fig. 4 ist schematisch ein steuerbarer Lichtmodulator ME dargestellt, in den ein mit einer einzelnen Lichtquelle LQ beleuchtetes Hologramm SH einer 3D Szene kodiert ist. FIG. 4 schematically shows a controllable light modulator ME into which a hologram SH of a 3D scene illuminated by a single light source LQ is coded.
Bei der Burckhardt Kodierung wird ein komplexer Wert in jeweils drei Pixel des Lichtmodulators in Form von Amplitudenwerten kodiert. In the Burckhardt coding, a complex value is encoded in each case in three pixels of the light modulator in the form of amplitude values.
Das mit dem Hologramm SH modulierte Licht wird auf eine Position fokussiert, an der in Fig. 4 ein Objektpunkt OP rekonstruiert werden kann, wobei das Licht von dieser Position aus einen Sichtbarkeitsbereich für eine Augenpupille AP erzeugt. In einem Sichtbarkeitsbereich X ist für eine Augenpupille eine Rekonstruktion einer 3D Szene sichtbar. Neben dem Sichtbarkeitsbereich X liegen in der Betrachterebene die Bereiche Y und Z. Eine Augenpupille im Bereich Y würde gar keine holografische Rekonstruktion wahrnehmen, eine Augenpupille im Bereich Z würde eine 3D Szene sehen bei der bezüglich der Tiefe vorne und hinten liegende Objektpunkte (nicht gezeigt) vertauscht sind. Eine Augenpupille AP im Teilbereich Z in Fig. 4 würde den rekonstruierten Objektpunkt hinter dem Display wahrnehmen, während er im Sichtbarkeitsbereich X vor dem Display liegend wahrnehmbar wäre. Die gesamte Anordnung X, Y, Z wiederholt sich in der Betrachterebene periodisch. The light modulated with the hologram SH is focused to a position at which an object point OP can be reconstructed in FIG. 4, the light generating a visibility region for an eye pupil AP from this position. In a visibility region X, a reconstruction of a 3D scene is visible for an eye pupil. An eye pupil in the area Y would not perceive any holographic reconstruction, an eye pupil in the area Z would see a 3D scene with the object points (not shown) lying in front and behind with respect to the depth. are reversed. An eye pupil AP in subarea Z in FIG. 4 would perceive the reconstructed object point behind the display, while it would be perceptible in the visibility region X in front of the display. The entire array X, Y, Z repeats periodically in the observer plane.
Ein Teil des Lichtes der Lichtquelle LQ wird in die Betrachterebene zum Punkt PY in den A part of the light of the light source LQ is in the viewer plane to the point PY in the
Teilbereich Y fokussiert. Dies entspricht einem Lichtquellenbild, das im Fall der Burckhardt- Codierung auch bei in dem Lichtmodulator eingeschriebenem Hologramm sichtbar ist. Dieses Lichtquellenbild wiederholt sich periodisch in weiteren Beugungsordnungen. Subarea Y focused. This corresponds to a light source image, which in the case of Burckhardt coding is also visible in the hologram inscribed in the light modulator. This light source image repeats periodically in further diffraction orders.
Nur im Sichtbarkeitsbereich X ist mit einer Augenpupille eine Rekonstruktion des Objektpunktes OP wahrnehmbar. Diese Rekonstruktion kann z.B. mit einer Rekonstruktion überlagert sein, die mit einer Intensität einer anderen eingeschalteten Lichtquelle erzeugbar ist. Die Intensität von Teilbereich X sollte z.B. gemäß Fig. 5 mit der Wiederholung des Teilbereichs X' oder Y' einer anderen Lichtquelle überlagerbar sein, die z.B. Intensitäten in den Teilbereichen X', Y' und Z' in periodischer Fortsetzung in der Betrachterebene aufweist. Only in the visibility region X can a reconstruction of the object point OP be perceptible with an eye pupil. This reconstruction can e.g. be superimposed with a reconstruction that can be generated with an intensity of another switched-light source. The intensity of subregion X should be e.g. according to Fig. 5 with the repetition of the partial area X 'or Y' of another light source which can be superimposed e.g. Having intensities in the sub-areas X ', Y' and Z 'in periodic continuation in the observer plane.
Der Abstand der einem Abbildungselement zugeordneten Lichtquellen in einer The distance of an imaging element associated light sources in one
Beleuchtungsvorrichtung der Erfindung ist bei dieser Kodierung so zu wählen, dass sich für eine Lichtquelle der Teilbereich X in der Betrachterebene vorzugsweise mit einer Wiederholung des Teilbereichs X einer anderen Lichtquelle überlagert. Damit können sich Intensitäten zweier Beugungsordnungen von zwei unterschiedlichen Lichtquellenbildern überlagern, und zwei mit
diesen Intensitäten erzeugte Objektrekonstruktionen werden zu einer einzigen Rekonstruktion überlagert, die dadurch mit einer Helligkeit entsprechend der Gesamtintensität wahrnehmbar ist. Lighting device of the invention is to be selected in this coding so that for a light source of the partial area X in the observer plane preferably superimposed with a repetition of the partial area X of another light source. Thus, intensities of two diffraction orders of two different light source images can be superimposed, and two with Object reconstructions generated at these intensities are superimposed into a single reconstruction, which is thereby perceptible with a brightness corresponding to the total intensity.
Um die Position einzuschaltender Lichtquellen zu finden, kann zunächst wie in Fig. 5 In order to find the position of the light sources to be switched on, first of all, as in FIG. 5
schematisch gezeigt ist, der Lichtweg von dem Lichtquellenbild PY in dem Teilbereich Y durch die Mitte des Hologramms SH und weiter durch das Abbildungselement AE zur Lichtquelle LQ2 des Lichtquellenarrays zurückverfolgt werden. Entsprechend wird der Lichtweg von den is shown schematically, the light path from the light source image PY in the subregion Y are traced through the center of the hologram SH and further through the imaging element AE to the light source LQ2 of the light source array. Accordingly, the light path of the
Lichtquellenbildern PY' und PY", den periodischen Wiederholungen von PY zurückverfolgt durch die gleiche Position im Hologramm wie für PY und durch das Abbildungselement AE. Damit gelangt man zur Position der Lichtquellen LQ1 und LQ3. Die eingeschalteten Lichtquellen LQ1 bis LQ3 können beispielsweise Spalten eingeschalteter Lichtquellen eines Lichtquellenarrays sein, wenn Lentikularlinsen als Abbildungselemente AE verwendet werden sollen. Die Ermittlung der Lichtquellen LQ1 und LQ3 in Abhängigkeit von der Augenposition kann softwaremäßig programmierbar sein oder zum Beispiel in Formeiner Look-Up Tabelle abgelegt sein. Light source images PY 'and PY ", the periodic repetitions of PY traced by the same position in the hologram as for PY and by the imaging element AE., This leads to the position of the light sources LQ1 and LQ3 The switched light sources LQ1 to LQ3, for example, columns columns of light sources of a light source array if lenticular lenses are to be used as imaging elements AE The determination of the light sources LQ1 and LQ3 as a function of the eye position can be programmable by software or stored, for example, in the form of a look-up table.
Hier bilden gemäß der Erfindung ein Teil einer Beugungsordnung (nämlich der Teil X derjenigen Beugungsordnung in der Betrachterebene, die sich insgesamt über die Bereiche X, Y und Z erstreckt) einer eingeschalteten Lichtquelle, z.B. LQ1 , und derselbe Teil mindestens einer anderen, unterschiedlichen Beugungsordnung einer anderen Lichtquelle, z.B. LQ3, eine Here, according to the invention, a part of a diffraction order (namely, the part X of the diffraction order in the observer plane which extends in total over the regions X, Y and Z) of an activated light source, e.g. LQ1, and the same part of at least one other, different diffraction order of another light source, e.g. LQ3, one
Überlagerung im Sichtbarkeitsbereich. Overlay in the visibility area.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel mit einer Particularly advantageous is the invention in one embodiment with a
Beleuchtungsvorrichtung realisierbar, die ein Shutterdisplay verwendet, bei dem die Lighting device can be realized using a shutter display, in which the
erfindungsgemäßen Lichtquellen Sekundärlichtquellen sind. In dieser Beleuchtungsvorrichtung sind Lichtquellen mit sehr geringem Aufwand erzeugbar, indem Zeilen oder Spalten von Pixeln im Shutterdisplay je Abbildungselement transparent steuerbar sind. Beispielsweise kann der Abstand der einzuschaltenden einzelnen Zeilen etwas mehr als 2 mm betragen, um mit einem Shutterdisplay einen Sichtbarkeitsbereich mit überlagerten Intensitäten zu erzeugen, sowie eine Rekonstruktion einer 3D Szene mit überlagerten Rekonstruktionen in diesem light sources according to the invention are secondary light sources. In this illumination device, light sources can be generated with very little effort, in that rows or columns of pixels in the shutter display per imaging element can be controlled transparently. For example, the spacing of the individual lines to be switched on may be slightly more than 2 mm in order to produce a visibility area with superimposed intensities using a shutter display, as well as a reconstruction of a 3D scene with superimposed reconstructions in it
Sichtbarkeitsbereich sichtbar zu machen. Die Leistung der einzelnen Lichtquellen der primären Beleuchtungseinheit müsste nicht verändert werden. Die Rekonstruktion einer 3D Szene kann mit der gleichen Primärbeleuchtung mit einer größeren Helligkeit gesehen werden. Visibility area visible. The power of the individual light sources of the primary lighting unit would not have to be changed. The reconstruction of a 3D scene can be seen with the same primary illumination with a greater brightness.
Lichtquellen der Beleuchtungsvorrichtung können in vorgebbarer Anzahl, oder/und vorgebbaren Positionen zueinander oder/und vorgebbaren Abstrahlwinkeln variierbar ansteuerbar einschaltbar sein. Dies trifft zu, wenn gemäß der Erfindung an wechselnden Positionen von Augenpupillen von mindestens zwei Betrachtern in unterschiedlichen Betrachterebenen ein Sichtbarkeitsbereich
zum Betrachten einer Rekonstruktion einer 3D Szene erzeugt werden soll. Durch Ansteuerung unterschiedlicher Kombinationen von einzuschaltenden Lichtquellen je Abbildungselement kann der Sichtbarkeitsbereich mit der gleichen Gesamtintensität an unterschiedlichen Positionen erzeugt werden, wodurch eine Überlagerung von Rekonstruktionen, die mit addierbaren Intensitäten erzeugbar sind, zu einer einzigen Rekonstruktion erfolgt. Light sources of the illumination device can be switched on in a predeterminable number, and / or predeterminable positions to each other and / or predeterminable radiation angles variable controllable. This is true if, according to the invention, at varying positions of eye pupils of at least two observers in different observer planes, a visibility region to be viewed for viewing a reconstruction of a 3D scene. By controlling different combinations of light sources to be switched on per imaging element, the visibility region with the same overall intensity can be generated at different positions, whereby a superimposition of reconstructions, which can be generated with additive intensities, results in a single reconstruction.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung kann mit einem holografischen Display verwendet werden, das eine Elektrowetting-Einheit zum Ablenken von Licht zu wechselnden Positionen von Augenpupillen aufweist. Ein solches Display umfasst also eine Another embodiment of the invention may be used with a holographic display having an electrowetting unit for deflecting light to changing positions of eye pupils. Such a display thus includes one
Beleuchtungseinheit, mindestens ein Abbildungselement, einen Lichtmodulator, und ein ansteuerbares Ablenkelement, beispielsweise eine Anordnung von Elektrowetting Prismen zur Betrachternachführung. Lighting unit, at least one imaging element, a light modulator, and a controllable deflection, for example, an array of Elektrowetting prisms for viewer tracking.
Für eine solche Anordnung wird an dem ansteuerbaren Ablenkelement ein Ablenkwinkel so eingestellt, dass der Sichtbarkeitsbereich einer Pupillenposition eines Betrachters nachgeführt wird. Auch hier können mehrere Lichtquellen so eingeschaltet werden, dass sich im For such an arrangement, a deflection angle is set on the controllable deflection element such that the visibility range of a pupil position of a viewer is tracked. Again, several light sources can be turned on so that in
Sichtbarkeitsbereich einer Überlagerung der Intensitäten von einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle mit mindestens einer weiteren Beugungsordnung mindestens einer zweiten Lichtquelle ergibt. Die Position der Lichtquellen kann auch hierbei ermittelt werden, indem der Lichtweg von Lichtquellenbildern in der Betrachterebene durch das optische System Visibility range of a superposition of the intensities of a diffraction order of a first light source with at least one further diffraction order of at least one second light source results. The position of the light sources can also be determined here by the optical path of light source images in the observer plane through the optical system
zurückverfolgt wird. Insbesondere würde sich der Abstand der Lichtquellen zueinander aufgrund der Nichtlinearitäten der einstellbaren Prismenwinkel relativ zu den Ablenkwinkeln mit der Position des Sichtbarkeitsbereiches verändern.
is traced back. In particular, the distance of the light sources from one another would change with the position of the visibility region due to the non-linearities of the adjustable prism angles relative to the deflection angles.
Claims
1 . Beleuchtungsvorrichtung mit einem ansteuerbare Lichtquellen (LQ) aufweisenden Lichtquellenarray für ein holografisches Display, das einen steuerbaren räumlichen 1 . Lighting device with a light source array (LQ) having light source array for a holographic display, which has a controllable spatial
Lichtmodulator sowie Abbildungselemente aufweist, denen jeweils eine Anzahl der Light modulator and imaging elements, each having a number of
ansteuerbaren Lichtquellen des Lichtquellenarrays zugeordnet ist, deren Lichtquellenbilder sich mit Beugungsordnungen in einer Betrachterebene periodisch wiederholen, in der ein is associated with controllable light sources of the light source array, whose light source images are repeated periodically with diffraction orders in a viewer plane, in the one
Sichtbarkeitsbereich mit einem Intensitätsmaximum festgelegt ist, mit dem eine Rekonstruktion einer in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator eingeschriebenen 3D Szene erzeugbar ist, wobei die Lichtquellen mit Steuerelementen für eine ermittelte Position von Augenpupillen eines Betrachters aktivierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass Visibility is set with an intensity maximum, with which a reconstruction of a written in the controllable spatial light modulator 3D scene can be generated, the light sources are activated with controls for a detected position of the eye pupil of a viewer, characterized in that
für jeweils ein Abbildungselement (AE) mindestens zwei Lichtquellen (LQ) angesteuert aktivierbar sind, mit denen bei Ansteuerung ein Sichtbarkeitsbereich erzeugbar ist, der eine Gesamtintensität (I) aus einer Überlagerung des Intensitätsmaximums einer Beugungsordnung mit einem Teil eines Intensitätsmaximums mindestens einer weiteren Beugungsordnung aufweist, wobei mit diesen Intensitäten am gleichen Ort erzeugte Rekonstruktionen überlagerbar sind, die als eine Rekonstruktion der 3D Szene mit einer der Gesamtintensität im for at least one light-emitting element (AE), at least two light sources (LQ) are activatable, with which a visibility range can be generated upon actuation, which has an overall intensity (I) from a superposition of the intensity maximum of a diffraction order with a part of an intensity maximum of at least one further diffraction order, wherein reconstructions generated with these intensities at the same location are superimposable, which is a reconstruction of the 3D scene with one of the total intensity in the
Sichtbarkeitsbereich entsprechenden Helligkeit an einer Position einer Augenpupille (AP) zu sehen ist, mit der die Position der ansteuerbar aktivierbaren Lichtquellen (LQ) vorgebbar ist. Visibility area corresponding brightness at a position of an eye pupil (AP) can be seen, with which the position of the controllably activatable light sources (LQ) can be specified.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der mit variierbaren Positionen von einzuschaltenden Lichtquellen (LQ, LQn) in verschiedenen Betrachterebenen mit Intensitäten überlagerte Sichtbarkeitsbereiche erzeugbar sind, deren Position in der jeweiligen 2. The lighting device according to claim 1, wherein the variable positions of light sources to be switched on (LQ, LQn) can be generated in different viewing planes with intensities superimposed visibility ranges whose position in the respective
Betrachterebene variierbar ist, wobei eine Rekonstruktion in der jeweiligen Position mit einer Helligkeit sichtbar ist, die einer Gesamtintensität (I) von am gleichen Ort überlagerten Viewer level is variable, with a reconstruction is visible in the respective position with a brightness that overlaid a total intensity (I) of the same place
Rekonstruktionen der 3D Szene entspricht. Reconstructions of the 3D scene corresponds.
3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der Steuerelemente (CE) eingerichtet sind, Lichtquellen (LQ) mit einer Anzahl, oder/und Positionen zueinander oder/und Abstrahlwinkeln einzuschalten, die mit der Position des zu erzeugenden Sichtbarkeitsbereichs vorgebbar sind, dessen Position mit Positionsdaten detektierter Augenpupillen (AP) vorgegeben ist. 3. Lighting device according to claim 1 or 2, are arranged in the controls (CE), light sources (LQ) with a number, and / or positions to each other and / or radiation angles, which are predetermined with the position of the visibility region to be generated, whose position with position data detected eye pupil (AP) is given.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zu einem 4. Lighting device according to one of claims 1 to 3, wherein at a
Abbildungselement (AE) eingeschaltete Lichtquellen (LQ) einen Abstand zueinander aufweisen, mit dem die Intensitätsmaxima der Beugungsordnungen der Lichtquellenbilder zum Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs um ein Intervall gleich oder um ein mehrfaches größer einer Beugungsordnung in einer Betrachterebene zueinander versetzt sind. Imaging element (AE) switched light sources (LQ) have a distance to each other, with the intensity maxima of the diffraction orders of the light source images to Intensity maximum of the visibility range are offset by an interval equal to or greater than a multiple greater diffraction order in a viewer plane to each other.
5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Positionen der Lichtquellen (LQ) zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs abhängig von einer 1 D- oder 2D-5. Lighting device according to one of claims 1 to 4, wherein the positions of the light sources (LQ) for generating the visibility range depending on a 1 D or 2D
Kodierung der 3D Szene in vertikaler oder/und horizontaler Richtung variierbar angesteuert einschaltbar sind. Coding of the 3D scene in the vertical and / or horizontal direction are driven variable switched on.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das 6. Lighting device according to one of claims 1 to 5, wherein the
Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs mit Intensitäten von mindestens zwei weiteren eingeschalteten Lichtquellen (LQ) überlagerbar ist, wobei die Intensitäten überlagerte Intensity maximum of the visibility range with intensities of at least two other switched light sources (LQ) is superimposed, with the intensities superimposed
Intensitäten eines Teils einer Beugungsordnung oder der gesamten Beugungsordnung und desselben Teils mindestens einer weiteren Beugungsordnung oder der gesamten Intensities of a part of a diffraction order or the entire diffraction order and the same part of at least one other diffraction order or the whole
Beugungsordnung aufweisen. Have diffraction order.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine 7. Lighting device according to one of claims 1 to 6, wherein a
Gesamtintensität (I) eines Sichtbarkeitsbereichs für eine Betrachterebene mit einem Total intensity (I) of a visibility level for a viewer level with a
programmierten Fernfeldbeugungsmuster vorgebbar ist, für das Lichtquellen (LQ) je programmed far field diffraction pattern can be specified for the light sources (LQ) each
Abbildungselement (AE) mit einem programmierten Einschaltmuster von Steuerelementen ansteuerbar einschaltbar sind. Imaging element (AE) can be switched on with a programmed switch-on pattern of control elements.
8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Array von Lichtquellen reelle oder virtuelle Lichtquellen aufweist. 8. Lighting device according to one of claims 1 to 7, wherein the array of light sources comprises real or virtual light sources.
9. Holografisches Display, das eine Beleuchtungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. 9. Holographic display having a lighting device according to at least one of the preceding claims.
10. Holografisches Display mit einer Beleuchtungsvorrichtung mit ansteuerbar einschaltbaren Lichtquellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, das mindestens 10. Holographic display with a lighting device with controllably switchable light sources according to at least one of claims 1 to 8, the at least
Abbildungselemente (AE) und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (ME) mit einem Hologramm einer 3D Szene aufweist, wobei die Positionen und/oder Abstrahlwinkel der Lichtquellen (LQ) zueinander variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, und wobei die Having imaging elements (AE) and a controllable spatial light modulator (ME) with a hologram of a 3D scene, wherein the positions and / or radiation angle of the light sources (LQ) are switched to each other controllably switched on, and wherein the
Ansteuerung von Lichtquellen (LQ) abhängig von einer jeweiligen Position von Augenpupillen (AP) vor dem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (ME) zum Erzeugen jeweils eines Control of light sources (LQ) depending on a respective position of the eye pupil (AP) in front of the controllable spatial light modulator (ME) for generating one each
Sichtbarkeitsbereichs erfolgt, mit dem die 3D Szene mindestens zweifach überlagerbar konstruierbar ist. Visibility range, with which the 3D scene is at least twice superimposable constructed.
1 1 . Holografisches Display nach Anspruch 9 oder 10, das Abbildungselemente (AE) Linsenelemente eines Lentikulararrays aufweisen, denen jeweils Lichtquellen (LQ) zugeordnet sind, die zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs variierbar angesteuert einschaltbar sind, wobei eine 3D Szene im steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (ME) vorzugsweise eindimensional eingeschrieben ist. 1 1. Holographic display according to claim 9 or 10, the imaging elements (AE) lens elements of a lenticular array, each of which light sources (LQ) are assigned, which can be switched to generate the visibility area variably controlled, wherein a 3D scene in the controllable spatial light modulator (ME) preferably one-dimensional is inscribed.
12. Holografisches Display nach Anspruch 10, bei der die Positionen der einzuschaltenden Lichtquellen (LQ) zueinander, oder ihre Abstrahlwinkel, von der Wellenlänge des zur 12. Holographic display according to claim 10, wherein the positions of the light sources to be switched on (LQ) to each other, or their emission angle, the wavelength of the
Rekonstruktion der 3D Szene zu verwendenden Lichts abhängig sind. Reconstruction of the 3D scene depending on the light to be used.
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