DE102008040581B4

DE102008040581B4 - Controllable light modulation device

Info

Publication number: DE102008040581B4
Application number: DE102008040581.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fütterer Gerald; Dr. Häussler Ralf
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2008-07-21
Filing date: 2008-07-21
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: DE102008040581A1

Abstract

Steuerbare Lichtmodulationseinrichtung mit einer Lichtmodulatormatrix (SLM), in der Modulatorzellen in einem ersten Raster (R1) angeordnet sind und von Lichtquellen eintreffende kohärente Lichtbündel beugen, die in einen definierten Sichtbarkeitsbereich (SB) an einer ermittelten Augenposition (AP n) in einer Betrachterebene (BE1, BE2) überlagert werden, die Lichtquellenbilder in einem zweiten Raster (R2) aufweist, wobei der definierte Sichtbarkeitsbereich (SB) zwischen zwei Lichtquellenbildern (LB) positionierbar ist, sowie mit Steuermitteln (CM) zum Steuern eines Positionserfassungssystems (PE) und der Lichtmodulation, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulatorzellen im ersten Raster (R1) derart angeordnet sind, dass in der Betrachterebene (BE1, BE2) mit den gebeugten Lichtbündeln das zweite Raster (R2) mit Bereichen ohne oder mit sehr geringer Intensität an Orten von Betrachteraugen erzeugbar ist, die dem positionierten Sichtbarkeitsbereich (SB) benachbart sind, wobei die Bereiche mit einer Drehbewegung der Lichtmodulatormatrix (SLM), die mit einem maximalen Winkelbereich steuerbar drehbar ist, generierbar sind.A controllable light modulation device having a light modulator matrix (SLM), in which modulator cells are arranged in a first grid (R1) and diffracting coherent light beams arriving from light sources which are projected into a defined visibility range (SB) at a determined eye position (AP n) in a viewer plane (BE1 , BE2) having light source images in a second grid (R2), the defined visibility area (SB) being positionable between two light source images (LB), and control means (CM) for controlling a position detection system (PE) and the light modulation, characterized in that the modulator cells in the first grid (R1) are arranged such that in the observer plane (BE1, BE2) with the diffracted light beams, the second grid (R2) can be generated with areas without or with very low intensity at locations of observer eyes, which are adjacent to the positioned visibility region (SB), the regions He is generated with a rotational movement of the light modulator matrix (SLM), which is controllably rotatable with a maximum angular range, can be generated.

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung, die eine Lichtmodulatormatrix mit in einem ersten Raster angeordneten Modulatorzellen aufweist und mit Steuermitteln verbunden ist. Die Modulatorzellen modulieren die von Lichtquellen ausgehenden kohärenten Lichtbündel, die innerhalb eines definierten Sichtbarkeitsbereichs in einer Betrachterebene in einem ermittelten Betrachterauge überlagert werden. Die Betrachterebene enthält in einem zweiten Raster angeordnete Lichtquellenbilder, wobei der Sichtbarkeitsbereich zwischen zwei Lichtquellenbildern positioniert ist.The invention relates to a controllable light modulation device which has a light modulator matrix with modulator cells arranged in a first raster and is connected to control means. The modulator cells modulate the coherent light beams emitted by light sources, which are superimposed within a defined visibility range in a viewer plane in a determined observer eye. The observer plane contains light source images arranged in a second grid, wherein the visibility region is positioned between two light source images.

Die steuerbare Lichtmodulationseinrichtung ist in einem holographischen Display anwendbar, das als Direktsicht- oder Projektionsdisplay ausgebildet sein kann. Eine in der Lichtmodulatormatrix kodierte 3D-Szene kann mit kohärentem Licht für mindestens einen Betrachter holographisch rekonstruiert werden. Der Betrachter sieht die Rekonstruktion, wenn seine Augen mit dem für seine Position erzeugten Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene übereinstimmen. Ändert der Betrachter seinen Abstand vom Display oder bewegt er sich lateral vor dem Display, wird ihm der Sichtbarkeitsbereich nachgeführt. Dazu ermittelt ein Positionserfassungssystem die Betrachteraugen, und damit auch die Ablenkwinkel der Lichtbündel von der optischen Achse der Displayeinrichtung zum Betrachterauge, und aktualisiert die Positionsdaten. Das Positionserfassungssystem ist über Steuermittel mit dem Lichtmodulator verbunden. The controllable light modulation device is applicable in a holographic display, which can be configured as a direct view or projection display. A 3D scene encoded in the light modulator matrix can be holographically reconstructed with coherent light for at least one observer. The observer sees the reconstruction when his eyes coincide with the visibility area in the observer plane created for his position. If the observer changes his distance from the display or moves laterally in front of the display, he is tracked to the visibility area. For this purpose, a position detection system determines the observer's eyes, and thus also the deflection angle of the light bundles from the optical axis of the display device to the observer eye, and updates the position data. The position detection system is connected to the light modulator via control means.

Der Sichtbarkeitsbereich wird in einer Betrachterebene vor dem Display durch Überlagerung von Lichtbündeln erzeugt und in anderen Dokumenten der Anmelderin auch als Betrachterfenster bezeichnet. Ist er so groß wie eine Augenpupille, werden die rechte und linke Ansicht der holographischen Rekonstruktion der Szene zeitsequentiell für das jeweilige Auge erzeugt und der Betrachter sieht die gesamte Rekonstruktion mit der richtigen Ansicht bezüglich seiner Augenposition. Der Sichtbarkeitsbereich könnte aber auch so groß sein, dass er gleichzeitig beide Augenpupillen enthält. Durch Beugung von Licht an den Modulatorzellen entstehen verschiedene Beugungsordnungen, die in der Betrachterebene als Intensitätsmaxima sichtbar sind und die Bilder der Lichtquellen darstellen. Sie weisen ein Raster auf, das durch das Raster der Modulatorzellen vorgegeben ist. Der Sichtbarkeitsbereich eines erfassten Betrachterauges wird für einen Bereich zwischen zwei benachbarten Beugungsordnungen und damit zwei benachbarten Lichtquellenbildern vorgegeben. Damit wird verhindert, dass ein Intensitätsmaximum in diesem Auge liegt und beim Betrachten der Rekonstruktion stört. Dagegen bestimmt die Form der Öffnung der Modulatorzelle die Aufteilung der gesamten Intensität einer Lichtquelle auf ihre erzeugten einzelnen Lichtquellenbilder.The visibility area is generated in a viewer plane before the display by superposition of light bundles and referred to in other documents of the applicant as Viewer window. If it is as large as an eye pupil, the right and left views of the holographic reconstruction of the scene are time sequentially generated for each eye, and the viewer sees the entire reconstruction with the correct view of his eye position. The range of visibility could also be so large that it contains both eyes at the same time. Diffraction of light at the modulator cells produces different orders of diffraction, which are visible in the observer plane as intensity maxima and represent the images of the light sources. They have a grid which is predetermined by the grid of the modulator cells. The visibility range of a detected observer eye is specified for a region between two adjacent diffraction orders and thus two adjacent light source images. This prevents that an intensity maximum lies in this eye and disturbs the viewing of the reconstruction. In contrast, the shape of the aperture of the modulator cell determines the distribution of the total intensity of a light source to its generated individual light source images.

In 1 ist der Einfluss der Intensität der Lichtquellenbilder auf zwei in unterschiedlicher Entfernung von der Lichtmodulatormatrix positionierte Augenpaare dargestellt. Generell fällt in der Erfindung die 0. Beugungsordnung ungefähr mit der optischen Achse der Displayeinrichtung zusammen. Die Sichtbarkeitsbereiche SB liegen normalerweise zwischen der 0. und der +1. oder –1. Beugungsordnung. Da sich das Nachbarauge lateral und/oder axial in weiter entfernten, höheren Beugungsordnungen m befindet, treten dort entsprechend schwächere Intensitäten auf. Es kommt zu einem Übersprechen der Intensitäten im Nachbarauge. Das Übersprechen wird aber nur sichtbar und als störend empfunden, wenn die Intensitäten dieser Beugungsordnungen m einen bestimmten Wert, z.B. 5% der im Sichtbarkeitsbereich des aktuell ermittelten Auges vorliegenden Intensität, übersteigen. Andererseits ändern sich mit größerem Abstand des Betrachters zum Display auch die Rasterabstände der Lichtquellenbilder und das Betrachterfenster wird größer. Dadurch liegt für die Augenposition AP 1 ein geringeres Übersprechen vor als für die Augenposition AP 2. Das Beugungsbild des gesamten Lichtmodulators ergibt sich aus der Überlagerung der Beugungsbilder der einzelnen Modulatorzellen im Sichtbarkeitsbereich des aktuell ermittelten Auges. Die Position des benachbarten Auges wird ebenfalls ermittelt, jedoch erhält dieses Auge aktuell keinen Sichtbarkeitsbereich. In 1 the influence of the intensity of the light source images on two pairs of eyes positioned at different distances from the light modulator matrix is shown. In general, in the invention, the 0th diffraction order coincides approximately with the optical axis of the display device. The visibility ranges SB are usually between the 0th and the +1. or -1. Diffraction order. Since the neighboring eye is located laterally and / or axially in more distant, higher orders of diffraction m, correspondingly weaker intensities occur there. It comes to a crosstalk of the intensities in the neighboring eye. However, the crosstalk is only visible and disturbing if the intensities of these orders of diffraction m exceed a certain value, for example 5% of the intensity present in the field of visibility of the currently detected eye. On the other hand, as the viewer becomes closer to the display, the pitches of the light source images also change, and the viewer window becomes larger. As a result, there is less crosstalk for the eye position AP 1 than for the eye position AP 2. The diffraction pattern of the entire light modulator results from the superimposition of the diffraction patterns of the individual modulator cells in the visibility range of the currently determined eye. The position of the neighboring eye is also determined, but this eye currently does not receive a visibility area.

Das Übersprechen der Intensitäten bzw. das Wahrnehmen von Beugungsordnungen in einem dem aktuell erzeugten Sichtbarkeitsbereich benachbarten Auge kann z.B. durch eine Pixelapodisation reduziert oder ganz unterdrückt werden. Unter dem Begriff Pixel ist hier eine Modulatorzelle zu verstehen. Die Pixelapodisation kann durch verschiedene Verfahren mittels eines Apodisationsprofils t_SLM-Pixel(x, y) durchgeführt werden. Ist der Füllfaktor FF der einzelnen Modulatorzelle beispielsweise FF > 0,5 und die Fläche der Modulatorzelle nicht zu klein, so lässt sich durch eine gezielte Auswahl des Verlaufs der Transmission der einzelnen Modulatorzelle erreichen, dass die Intensitäten der Beugungsordnungen nicht das benachbarte Auge stören. Bei Verwendung optischer Komponenten, die eine Nachführfunktion im Display realisieren sollen und Lichtbündel innerhalb eines großen Winkelbereichs den Betrachteraugen nachführen, genügt diese Maßnahme allein aber nicht. Durch Verwenden eines Lichtmodulators mit größeren Modulatorzellen wäre noch eine Verbesserung zu erreichen. Diese Modulatorzellen erzeugen Beugungsbilder mit enger zusammen liegenden Beugungsordnungen, wodurch die Intensitäten der Nebenmaxima auf einen engeren Raum konzentriert werden. Das Verwenden größerer Modulatorzellen führt in einem holographischen Display jedoch dazu, dass der Sichtbarkeitsbereich für bestimmte Wellenlängen, z.B. für λ = 450 nm, zu klein für ein sicheres Nachführen wird.The crosstalk of the intensities or the perception of diffraction orders in an eye adjacent to the currently generated visibility region can be reduced or completely suppressed, for example by pixel apodization. The term "pixel" is to be understood here as a modulator cell. Pixel apodization can be performed by various methods using an apodization profile t _{SLM pixel} (x, y). If the filling factor FF of the individual modulator cell is, for example, FF> 0.5 and the area of the modulator cell is not too small, a targeted selection of the course of the transmission of the individual modulator cell can ensure that the intensities of the diffraction orders do not disturb the neighboring eye. When using optical components which are intended to realize a tracking function in the display and light bundles track the observer's eyes within a large angular range, this measure alone is not sufficient. By using a light modulator with larger modulator cells, an improvement would still be achieved. These modulator cells produce diffraction patterns with more closely spaced diffraction orders, thereby focusing the intensities of the sub-maxima into a narrower space. However, using larger modulator cells results in a holographic display that the visibility range for certain wavelengths, eg for λ = 450 nm, becomes too small for a safe tracking.

Bei Verwendung von Elektrobenetzungszellen mit einstellbaren Mikroprismen zur Lichtbündelablenkung werden die auftreffenden Lichtbündel mit größer werdendem Ablenkwinkel zunehmend gestaucht. Der Füllfaktor FF von Modulatorzellen, die den Prismenzellen zugeordnet sind, erscheint verringert, obwohl sich die effektiv wirksame Fläche einer Modulatorzelle nicht verändert. Dieser Nachteil führt dazu, dass die Intensitäten der Lichtquellenbilder mit größer werdender Ablenkung auf jeweils eine größere Fläche verteilt werden, so dass auch in den Nebenmaxima der benachbarten Beugungsordnungen bzw. Lichtquellenbilder die Intensitätsanteile ansteigen und im benachbarten Auge als störendes Übersprechen wahrgenommen werden. Ein Realisieren größerer Ablenkwinkel zum Nachführen des Sichtbarkeitsbereichs beim Bewegen eines Betrachters wird verhindert.When using electrowetting cells with adjustable microprisms for light beam deflection, the incident light bundles are increasingly compressed with increasing deflection angle. The fill factor FF of modulator cells associated with the prism cells appears to be reduced, although the effective effective area of a modulator cell does not change. This disadvantage means that the intensities of the light source images are distributed to a larger area with increasing deflection, so that the intensity components also increase in the secondary maxima of the adjacent diffraction orders or light source images and are perceived as disturbing crosstalk in the neighboring eye. Realizing larger deflection angles for tracking the visibility area when moving a viewer is prevented.

Die WO 2007/073731 A1 beschreibt eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung mit in einem Raster angeordneten Modulatorzellen, die das an dem Lichtmodulator gebeugte Licht zu einer bestimmten Augenposition lenken. The WO 2007/073731 A1 describes a controllable light modulation device with modulator cells arranged in a raster, which direct the light diffracted at the light modulator to a specific eye position.

Aus der WO 2004/044659 A2 ist eine Lichtmodulationseinrichtung bekannt, wobei die in einem ersten Raster angeordneten Lichtmodulatorzellen in einer Betrachterebene in ein zweites Raster abgebildet werden. Ein Übersprechen der einzelnen Rasterabschnitte am Ort des Betrachterauges wird dadurch vermieden, dass höhere Beugungsordnungen an Orten von Betrachteraugen, die dem positionierten Sichtbarkeitsbereich benachbart sind, ein Intensitätsminimum aufweisen.From the WO 2004/044659 A2 a light modulation device is known, wherein the arranged in a first grid light modulator cells are imaged in a viewer plane in a second grid. Crosstalk of the individual raster sections at the location of the observer's eye is avoided by virtue of the fact that higher diffraction orders have an intensity minimum at locations of observer eyes which are adjacent to the positioned visibility region.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung zu gestalten, mit der in einer Betrachterebene das Auftreten von Lichtquellenbildern in Betrachteraugen, die benachbart zu Betrachteraugen mit einem Sichtbarkeitsbereich liegen, weitgehend unterdrückt wird. Dadurch soll vorzugsweise in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung das Wahrnehmen einer Rekonstruktion, die mehrere Betrachter in ihnen zugeordneten Sichtbarkeitsbereichen sehen können, verbessert werden. Generell können zum Beseitigen des Übersprechens der Intensitäten Maßnahmen in der Objektebene oder in der Bildebene ergriffen werden. Auch eine Kombination von Maßnahmen in beiden Ebenen kann das Problem lösen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Maßnahmen, die direkt in der Objektebene initiiert werden, um die Lage der Lichtquellenbilder in der Bildebene so zu beeinflussen, dass sie benachbarte Betrachteraugen nicht stören. Unter Objektebene ist hier die Ebene des Lichtmodulators zu verstehen. The object of the invention is to design a controllable light modulation device with which the occurrence of light source images in viewer eyes, which lie adjacent to viewer eyes with a visibility region, is largely suppressed in a viewer plane. Thereby, preferably in a holographic display device, the perception of a reconstruction, which can see a plurality of viewers in their associated visibility areas, is improved. In general, to eliminate the crosstalk of the intensities, measures can be taken in the object plane or in the image plane. A combination of measures on both levels can solve the problem. The present invention relates to measures initiated directly in the object plane to influence the location of the light source images in the image plane so as not to disturb adjacent viewer eyes. Object level is here the level of the light modulator to understand.

Grundlage der Erfindung ist eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung mit einer Lichtmodulatormatrix, in der Modulatorzellen in einem ersten Raster regulär angeordnet sind und von Lichtquellen ausgehende kohärente Lichtbündel mit kodierten Werten modulieren, die in einer ermittelten Augenposition in einem sequentiell erzeugten, definierten Sichtbarkeitsbereich einer Betrachterebene überlagert werden. In die Betrachterebene sind weiterhin die Bilder der Lichtquellen in einem zweiten Raster abgebildet, dessen Lage und dessen Rastermaße auch vom Raster der Modulatorzellen der Lichtmodulatormatrix abhängen. Der definierte Sichtbarkeitsbereich ist zwischen zwei Lichtquellenbildern positioniert. Weiterhin umfasst die Lichtmodulationseinrichtung ein Positionserfassungssystem für die zu ermittelnden Betrachteraugen und Steuermittel, welche die Lichtmodulation steuern.The invention is based on a controllable light modulation device with a light modulator matrix in which modulator cells are regularly arranged in a first grid and modulate coherent light bundles emanating from light sources with encoded values which are superimposed in a determined eye position in a sequentially generated, defined visibility region of a viewer plane. In the observer plane, the images of the light sources are also shown in a second grid whose position and grid dimensions also depend on the grid of the modulator cells of the light modulator matrix. The defined visibility area is positioned between two light source images. Furthermore, the light modulation device comprises a position detection system for the observer eyes to be determined and control means which control the light modulation.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Modulatorzellen in der Lichtmodulatormatrix derart im ersten Raster angeordnet sind, dass die an den Modulatorzellen gebeugten Lichtbündel im zweiten Raster der Lichtquellenbilder in der Betrachterebene Bereiche ohne oder mit sehr geringer Intensität der Lichtquellenbilder an Orten von Betrachteraugen erzeugen, die dem positionierten Sichtbarkeitsbereich benachbart sind. Vorzugsweise werden das erste und zweite Raster abhängig von den verwendeten Systemkomponenten oder für einen maximalen Winkelbereich oder für eine vorgegebene Tiefe der Betrachteraugen zur Lichtmodulatormatrix generiert.The object is achieved according to the invention in that the modulator cells in the light modulator matrix are arranged in the first raster such that the light bundles diffracted at the modulator cells generate regions without or with very low intensity of the light source images in the observer plane in the observer plane in the observer plane, which are adjacent to the positioned visibility area. The first and second rasters are preferably generated as a function of the system components used or for a maximum angular range or for a predefined depth of the observer's eyes to the light modulator matrix.

In einer ersten Ausbildung ist die ein schachbrettartiges erstes Raster aufweisende Lichtmodulatormatrix um ihre Systemachse drehbar ausgebildet, wobei die Steuermittel die Drehung innerhalb eines definierten Winkelbereichs abhängig von einem Signal des Positionserfassungssystems steuern. Sobald der einzustellende Drehwinkel der Lichtmodulatormatrix größer als der definierte Winkelbereich ist, erhält ein Kodiermittel Steuersignale zum Ändern der Kodierung. Die Kodiermittel stellen zweckmäßigerweise Korrekturwerte zum Ändern der Kodierung bereit, die in einer Nachschlagetabelle in Abhängigkeit vom Drehwinkel und der Position des jeweiligen Betrachterauges vorberechnet und gespeichert sind. Die Korrekturwerte sind derart vorberechnet, dass die aus der Drehung der Lichtmodulatormatrix resultierende Drehung des kodierten Objektes kompensiert wird, so dass der Betrachter die Drehung nicht wahrnimmt.In a first embodiment, the light modulator matrix having a checkerboard-like first grid is designed to be rotatable about its system axis, wherein the control means controls the rotation within a defined angular range depending on a signal of the position detection system. As soon as the rotational angle of the light modulator matrix to be set is greater than the defined angular range, a coding means receives control signals for changing the coding. The coding means expediently provide correction values for changing the coding, which are precalculated and stored in a look-up table as a function of the angle of rotation and the position of the respective viewer's eye. The correction values are precalculated in such a way that the rotation of the coded object resulting from the rotation of the light modulator matrix is compensated such that the observer does not perceive the rotation.

In einer zweiten Ausbildung der Lichtmodulatormatrix weist sie ein erstes Raster mit in benachbarten Zeilen symmetrisch um eine Zellenhälfte zueinander versetzt angeordneten, vorzugsweise viereckigen, Modulatorzellen auf.In a second embodiment of the light modulator matrix, it has a first raster with adjacent cells symmetrically about one cell half mutually staggered, preferably quadrangular, modulator cells on.

In einer dritten Ausbildung weist die Lichtmodulatormatrix ein erstes Raster mit Modulatorzellen auf, die hexagonal angeordnet und vorzugsweise hexagonal ausgebildet sind. Einen optimalen Informationsgehalt der Modulatorzellen erhalten die Betrachteraugen, wenn auch der Sichtbarkeitsbereich hexagonal ausgebildet ist.In a third embodiment, the light modulator matrix has a first grid with modulator cells, which are arranged hexagonally and are preferably hexagonal. Optimal information content of the modulator cells is obtained by the viewer's eyes, even if the visibility range is hexagonal.

In einer weiteren Ausbildung kann die Lichtmodulatormatrix kodierte Subhologramme von einzelnen Objektpunkten eines dreidimensionalen Objektes aufweisen, die in der Lichtmodulatormatrix zum Ändern der Kodierung verschoben werden können. Die Verschiebung erfolgt mit solchen Kodierwerten, die die Verdrehung der Lichtmodulatormatrix wieder kompensieren. Das dreidimensionale Objekt wird im Rekonstruktionsraum als feststehende Rekonstruktion wahrgenommen, die Drehung tritt nicht sichtbar in Erscheinung.In a further embodiment, the light modulator matrix can comprise coded sub-holograms of individual object points of a three-dimensional object, which can be shifted in the light modulator matrix for changing the coding. The shift takes place with coding values which compensate the rotation of the light modulator matrix again. The three-dimensional object is perceived in the reconstruction space as a fixed reconstruction, the rotation does not appear visibly.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der steuerbaren Lichtmodulationseinrichtung, die eines der ersten Raster nach einem der vorhergehenden Ausbildungen aufweist, ist das erste Raster in horizontaler Richtung zusätzlich derart gestaucht, dass die an den Modulatorzellen gebeugten Lichtbündel einen Sichtbarkeitsbereich erzeugen, welcher der statistisch dynamischen Form des Aufenthalts einer Augenpupille während der Augenbewegungen im Sichtbarkeitsbereich angepasst ist. Die Erfindung kann zweckmäßig durch ein im Lichtweg angeordnetes abbildendes optisches System mit variabler Vergrößerung ausgestaltet werden, welches durch von Steuermitteln gesteuerte Aktuatoren betätigt wird. Dadurch können die Abstände der Lichtquellenbilder im zweiten Raster proportional zueinander skaliert werden. Das abbildende optische System mit variabler Vergrößerung kann auch mit den bisher beschriebenen Ausbildungen der Erfindung zusätzlich kombiniert werden, um bei Bedarf eine Skalierung zusätzlich vornehmen zu können. In a further embodiment of the controllable light modulation device, which has one of the first raster according to one of the preceding embodiments, the first raster in the horizontal direction is additionally compressed in such a way that the light bundles diffracted at the modulator cells generate a visibility region which corresponds to the statistically dynamic form of the residence of one Eye pupil is adjusted during eye movements in the visibility area. The invention may suitably be embodied by a variable magnification imaging optical system arranged in the optical path, which is actuated by actuators controlled by control means. As a result, the distances of the light source images in the second raster can be scaled proportionally to each other. The imaging optical system with variable magnification can also be combined with the previously described embodiments of the invention in order to additionally make a scaling if necessary.

In einer weiteren Ausgestaltung können die erfindungsgemäßen Ausbildungen zusätzlich großflächige optische Ablenkmittel enthalten, die durch Steuermittel gesteuerte weitere Aktuatoren betätigt werden. Dadurch kann das zweite Raster virtuell über einen im Vergleich zur Änderung der Lage der Lichtquellenbilder vergleichsweise relativ großen Bereich zusätzlich lateral verschoben werden.In a further embodiment, the embodiments according to the invention may additionally contain large-area optical deflection means which are actuated by control means controlled further actuators. As a result, the second raster can be additionally displaced laterally virtually over a comparatively relatively large area compared to the change in the position of the light source images.

Eine weitere Ausgestaltung der steuerbaren Lichtmodulationseinrichtung kann vorteilhaft ein Ablenkfeld aufweisen, das die Lichtbündel auf jeweils ein ermitteltes Betrachterauge im Sichtbarkeitsbereich ablenkt und überlagert, wobei die Steuermittel das Einstellen der Ablenkung in einem vorgegebenen Winkelbereich steuern. Das Ablenkfeld enthält vorzugsweise nach dem Elektrobenetzungs-Prinzip funktionierende matrixförmig angeordnete Ablenkzellen mit mindestens einer Grenzfläche, wobei die Grenzflächen durch Mittel zum Steuern von Elektroden mit einem Neigungswinkel eingestellt werden. Der Neigungswinkel ist durch die ermittelte Augenposition vorgegeben.A further embodiment of the controllable light modulation device can advantageously have a deflection field which deflects and superimposes the light bundles on a respective determined observer eye in the visibility region, the control means controlling the adjustment of the deflection in a predetermined angular range. The deflection field preferably contains, according to the electrowetting principle, functioning matrix-shaped deflection cells with at least one interface, wherein the interfaces are adjusted by means for controlling electrodes with an angle of inclination. The angle of inclination is determined by the determined eye position.

Mit den genannten Ausführungen wird erreicht, dass die erzeugten Lichtquellenbilder die zum Sichtbarkeitsbereich einer ermittelten aktuellen Augenposition benachbarten Augen nicht treffen. Ein großer Vorteil der Erfindung besteht weiterhin darin, dass die Ausführungen keine zusätzlichen optischen Mittel im Lichtweg benötigen, um das Übersprechen zu unterdrücken.With the mentioned embodiments it is achieved that the generated light source images do not strike the eyes adjacent to the visibility range of a determined current eye position. A major advantage of the invention is further that the embodiments do not require additional optical means in the light path to suppress crosstalk.

Die Erfindung betrifft auch hier nicht aufgeführte Raster von Modulatorzellen, die in einer vergleichbar gestalteten Lichtmodulationseinrichtung die genannte Aufgabe lösen. Die steuerbare Lichtmodulationseinrichtung kann transmissiv oder reflektiv ausgebildet sein. Die Erfindung umfasst weiterhin eine holographische Displayeinrichtung, die eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung nach mindestens einer der Ausbildungen aufweist.The invention also relates here not listed grid of modulator cells that solve the above problem in a comparably designed light modulation device. The controllable light modulation device can be designed to be transmissive or reflective. The invention further comprises a holographic display device having a controllable light modulation device according to at least one of the embodiments.

Die verschiedenen Ausführungen der Erfindung sind in einer holographischen Displayeinrichtung, vorzugsweise in einem Projektionsaufbau, anwendbar. Derartig ausgebildete Displayeinrichtungen sind vielseitig einsetzbar, z.B. in Fahrzeugen, Heimvideogeräten, großformatigen Werbeanzeigen, Flugzeugen usw. The various embodiments of the invention are applicable in a holographic display device, preferably in a projection structure. Such formed display devices are versatile, e.g. in vehicles, home video equipment, large format advertisements, airplanes, etc.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen in schematischer DarstellungThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments. In the accompanying drawings show in a schematic representation

1 Ausbreitung eines Lichtbündels mit höheren Beugungsordnungen, die auf zwei in unterschiedlicher Entfernung von der Lichtmodulatormatrix positionierte Augenpaare treffen, 1 Propagation of a light beam with higher diffraction orders, which strike two pairs of eyes positioned at different distances from the light modulator matrix,

2a, 2b eine Lichtmodulatormatrix in einer ersten Ausbildung und die Lage zweier benachbarter Augen in der periodischen Fortsetzung von Lichtquellenbildern in einem Raster, 2a . 2 B a light modulator matrix in a first embodiment and the position of two adjacent eyes in the periodic continuation of light source images in a grid,

3a, 3b eine Lichtmodulatormatrix in einer zweiten Ausbildung und die Lage zweier benachbarter Augen in der periodischen Fortsetzung von Lichtquellenbildern in einem Raster, 3a . 3b a light modulator matrix in a second embodiment and the position of two adjacent eyes in the periodic continuation of light source images in a grid,

4a–4d verschiedene Raster R1 von Intensitätsverteilungen einzelner Modulatorzellen der Lichtmodulatormatrix und die entsprechenden Anordnungen von Modulatorzellen im Raster R1, 4a - 4d different rasters R1 of intensity distributions of individual modulator cells of the light modulator matrix and the corresponding arrangements of modulator cells in the grid R1,

5 eine hexagonale Anordnung von hexagonalen Modulatorzellen mit größtmöglicher Augenpupille eines Betrachterauges, 5 a hexagonal arrangement of hexagonal modulator cells with the largest possible eye pupil of a viewer's eye,

6 das Raster R1 von 4d mit in der horizontalen Richtung gestauchten Modulatorzellen, und 6 the grid R1 of 4d with modulator cells compressed in the horizontal direction, and

7 einen Sichtbarkeitsbereich, welcher der statistisch dynamischen Form des Aufenthalts einer Augenpupille während der Augenbewegung im Sichtbarkeitsbereich angepasst ist. 7 a range of visibility adapted to the statistically dynamic shape of the eye pupil's presence during eye movement in the area of visibility.

Die steuerbare Lichtmodulationseinrichtung enthält mindestens einen steuerbaren Lichtmodulator, kohärentes Licht aussendende Lichtquellen, optische Abbildungs- und/oder Ablenkmittel, ein Positionserfassungssystem sowie Rechen- und Steuermittel zum Ausführen und Steuern der einzelnen Komponenten und Prozesse. Dargestellt sind in den 1 bis 4 aber jeweils nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Komponenten.The controllable light modulation device comprises at least one controllable light modulator, coherent light emitting light sources, optical imaging and / or deflection means, a position detection system and computing and control means for executing and controlling the individual components and processes. Shown in the 1 to 4 but only the components necessary for understanding the invention.

Lichtquellen beleuchten in bekannter Weise eine Lichtmodulatormatrix, die eine reguläre Anordnung von Modulatorzellen in einem Raster aufweist, vollständig mit kohärentem Licht. Beim Passieren der Lichtmodulatormatrix wird das Licht mit kodierten Hologrammwerten beispielsweise einer 3D-Szene moduliert. Die von allen Modulatorzellen ausgehenden Lichtbündel erzeugen in einer Betrachterebene Bilder der Lichtquellen, die ebenfalls in einem Raster liegen. Dieses Raster ist nicht mit dem Raster der Modulatorzellen identisch, aber von der Anordnung der Modulatorzellen und vom Abbildungsverhalten der optischen Abbildungs- und Ablenkmittel im Gesamtsystem abhängig. Im Dokument wird im Folgenden die reguläre Anordnung der Modulatorzellen in der Lichtmodulatormatrix als erstes Raster R1 und die Anordnung der abgebildeten Lichtquellen in einer Betrachterebene als zweites Raster R2 bezeichnet.Light sources illuminate, in a known manner, a light modulator matrix which has a regular arrangement of modulator cells in a raster, completely with coherent light. When passing the light modulator matrix, the light is modulated with encoded hologram values, for example a 3D scene. The light beams emanating from all modulator cells generate images of the light sources in a viewer plane, which likewise lie in a grid. This raster is not identical to the raster of the modulator cells, but is dependent on the arrangement of the modulator cells and the imaging behavior of the optical imaging and deflection means in the overall system. In the document, the regular arrangement of the modulator cells in the light modulator matrix is referred to as first grid R1 and the arrangement of the imaged light sources in a viewer plane as second grid R2.

Zum Verständnis der Erfindung wird die 1, die bereits kurz im Stand der Technik erklärt wurde, hier weiter näher erläutert. Ein parallel auf eine Modulatorzelle der Lichtmodulatormatrix SLM einfallendes kohärentes Lichtbündel breitet sich weiter in Richtung Betrachteraugen aus. Die Richtung ist durch einen Pfeil angegeben. Nach dem Passieren ist das Lichtbündel gebeugt und setzt sich im Raum mit verschiedenen Beugungsordnungen m periodisch fort. Beispielhaft ist ein Bereich von m = ±4 Beugungsordnungen dargestellt. Im Lichtweg sind zwei Paare von Betrachteraugen mit den Augenpositionen AP 1 und AP 2 in unterschiedlichem Abstand innerhalb eines vorgegebenen Bereichs vor der Lichtmodulatormatrix SLM positioniert. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Augen eines Betrachters in einer horizontalen Ebene liegen, der Kopf also nicht schräg gehalten wird. Die Beugungsordnungen m erscheinen in den entsprechenden Betrachterebenen BE 1 und BE 2 als Lichtquellenbilder, die sich dort in einem Raster mit unterschiedlichen Intensitäten periodisch fortsetzen. Das Lichtquellenbild selbst hat in der nullten Beugungsordnung als Hauptmaximum die höchste Intensität. Die Fortsetzungen der Lichtquellenbilder, d.h. die Nebenmaxima, weisen sich periodisch verringernde Intensitäten auf. Die Nebenmaxima sind als die höheren Beugungsordnungen bekannt. Bei einem holographischen Display, in dem das Licht sequentiell einen definierten Sichtbarkeitsbereich SB für jedes Betrachterauge erzeugt, wirken sich die Nebenmaxima des definierten Sichtbarkeitsbereichs SB des ermittelten Auges meist störend in wenigstens einem benachbarten Auge aus.To understand the invention, the 1 , which has already been briefly explained in the prior art, explained in more detail here. A coherent light beam incident on a modulator cell of the light modulator matrix SLM propagates further in the direction of the viewer's eyes. The direction is indicated by an arrow. After passing through the light beam is bent and continues in space with different orders of diffraction m periodically. By way of example, a range of m = ± 4 diffraction orders is shown. In the light path, two pairs of observer eyes with the eye positions AP 1 and AP 2 are positioned at different distances within a predetermined area in front of the light modulator matrix SLM. It is assumed that the eyes of a viewer lie in a horizontal plane, so the head is not held at an angle. The diffraction orders m appear in the corresponding viewer planes BE 1 and BE 2 as light source images, which periodically continue there in a grid with different intensities. The light source image itself has the highest intensity in the zeroth diffraction order as the main maximum. The continuations of the light source images, ie the secondary maxima, have periodically decreasing intensities. The secondary maxima are known as the higher diffraction orders. In a holographic display in which the light sequentially generates a defined visibility area SB for each observer's eye, the secondary maxima of the defined visibility area SB of the detected eye usually have a disruptive effect in at least one adjacent eye.

Die Beugungsordnungen weisen untereinander den Beugungswinkel θ_m,n auf, der sich aus der Gittergleichung ergibt. Er charakterisiert die Abhängigkeit der Lage der Lichtquellenbilder vom Einfallswinkel der Lichtbündel. Beispielgebend ist der Beugungswinkel θ₁ eingezeichnet. Die Gittergleichung lautet sin(θ_m) = mλ/(nΛ) + sin(θ₀), wobei m die Anzahl der Beugungsordnungen, λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts, n die Brechzahl des umgebenden Mediums, Λ die Gitterperiode und θ₀ der Einfallswinkel der Lichtbündel sind. The diffraction orders have among themselves the diffraction angle θ _{m, n} , which results from the grid equation. It characterizes the dependence of the position of the light source images on the angle of incidence of the light bundles. By way of example, the diffraction angle θ _{1 is} shown. The grating equation is sin (θ _m) = mλ / (nΛ) + sin (θ _0), where m is the number of orders of diffraction, λ the wavelength of the incident light, n the refractive index of the surrounding medium, Λ is the grating period, and θ _{0 is} the angle of incidence the light bundles are.

Die benötigten Positionsdaten für jede Augenposition AP 1 und AP 2 ermittelt ein Positionserfassungssystem PE nacheinander und leitet sie an die Steuermittel CM weiter. Mit den Positionsdaten wird ein Sichtbarkeitsbereich SB für diese Position definiert. The required position data for each eye position AP 1 and AP 2 determines a position detection system PE successively and forwards them to the control means CM. The position data defines a visibility area SB for this position.

Es ist weiter zu erkennen, dass für unterschiedliche Abstände der Betrachteraugen von der Lichtmodulatormatrix SLM sich die Abstände der Lichtquellenbilder in den entsprechenden Betrachterebenen zueinander proportional ändern. An der Augenposition AP 1 werden die Positionsdaten des rechten Auges ermittelt und dazu der entsprechende Sichtbarkeitsbereich SB zwischen der 0. und der –1. Beugungsordnung in der Betrachterebene BE 1 erzeugt. Das benachbarte linke Betrachterauge wird von der Intensität der –4. Beugungsordnung getroffen. An der Augenposition AP 2 werden die Positionsdaten des linken Auges ermittelt und für dieses Auge ein Sichtbarkeitsbereich SB erzeugt. Das rechte Auge wird hier von der helleren Intensität der 3. Beugungsordnung getroffen. In beiden Positionen kommt es zu einem Übersprechen der Intensitäten im Sichtbarkeitsbereich des benachbarten Betrachterauges. Dabei wird der weiter entfernte Betrachter in der Betrachterebene BE 2 mehr gestört als der näher an der Lichtmodulatormatrix SLM befindliche Betrachter. Die Sichtbarkeitsbereiche SB für die benachbarten Augen werden sequentiell erzeugt.It can also be seen that, for different distances of the observer's eyes from the light modulator matrix SLM, the spacings of the light source images in the corresponding observer planes change proportionally to one another. At the eye position AP 1, the position data of the right eye are determined and to the corresponding visibility range SB between the 0 and the -1. Diffraction order in the observer plane BE 1 generated. The adjacent left eye of the eye is the intensity of the -4. Diffraction order taken. At the eye position AP 2, the position data of the left eye are determined and a visibility range SB is generated for this eye. The right eye is hit here by the brighter intensity of the 3rd order of diffraction. In both positions there is a crosstalk of the intensities in the visibility range of the neighboring viewer's eye. In this case, the viewer further away in the viewer plane BE 2 is more disturbed than the viewer who is closer to the light modulator matrix SLM. The visibility areas SB for the adjacent eyes are generated sequentially.

Die 2b zeigt in einem schematisch dargestellten Ausschnitt die periodischen Fortsetzungen der Lichtquellenbilder LB nach Beugung an den Modulatorzellen, die in der Lichtmodulatormatrix SLM in einem schachbrettartigen Raster R1 (2a) angeordnet sind. Die Lichtquellenbilder LB setzen sich in einem Raster R2 quasi in Form eines Kreuzes fort, wobei ihre Lage aus dem schachbrettartigen Raster R1 resultiert. Wenn für die aktuell ermittelte Augenposition AP 1 ein Sichtbarkeitsbereich SB erzeugt wird, wird in 2b das benachbarte Auge an der Augenposition AP 1’ z.B. von der Intensität der 4. Beugungsordnung beeinträchtigt. Die Intensitäten der Lichtquellenbilder LB nehmen zwar mit größer werdendem Abstand zur 0. Beugungsordnung ab. Sie werden aber noch vom benachbarten Auge als Störung wahrgenommen. The 2 B shows in a schematically illustrated section the periodic continuations of the light source images LB after diffraction at the modulator cells, which in the light modulator matrix SLM in a checkerboard pattern R1 (FIG. 2a ) are arranged. The light source images LB continue in a grid R2 quasi in the form of a cross, their position resulting from the checkerboard pattern R1. If a visibility range SB is generated for the currently determined eye position AP 1, then 2 B the adjacent eye is impaired at the eye position AP 1 ', for example, by the intensity of the 4th diffraction order. The intensities of the light source images LB decrease with increasing distance to the 0th diffraction order. But they are still perceived by the neighboring eye as a disorder.

Da die störenden Lichtquellenbilder im benachbarten Auge beseitigt werden sollen, sieht die Erfindung vor, eine Änderung der Lage des Rasters der Lichtquellenbilder vorzugsweise durch Maßnahmen in der Objektebene zu realisieren. Die 3 und 4 beschreiben derartige Lösungen.Since the interfering light source images in the neighboring eye are to be eliminated, the invention provides for a change in the position of the grid of the light source images preferably to be realized by measures in the object plane. The 3 and 4 describe such solutions.

In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Lichtmodulatormatrix SLM um ihre optische Achse variabel drehbar ausgeführt. Die 3a zeigt schematisch einen Teil der Lichtmodulatormatrix SLM von 2a in leicht gedrehtem Zustand. Als Folge der Drehung wird das Raster R2 der Lichtquellenbilder LB in der Betrachterebene gemäß 3b so gedreht, dass Lichtquellenbilder LB des für die Augenposition AP 1 erzeugten Sichtbarkeitsbereichs SB nicht die benachbarte Augenposition AP 1’ erreichen. Die Drehung kann variabel innerhalb eines relativ kleinen, fest definierten Winkelbereichs zwischen 1° und 5 ° in Abhängigkeit vom Signal des hier nicht dargestellten Positionserfassungssystems erfolgen. In diesem Bereich ist die Drehung eines in den Modulatorzellen kodierten Objektes tolerierbar bzw. wird vom Betrachter kaum wahrgenommen. Übersteigt der Drehwinkel die Grenze von 5°, dann muss die Drehung der Lichtmodulatormatrix SLM auch in der Kodierung berücksichtigt werden. Es müssen Korrekturwerte in die Kodierung integriert werden, die rechnerisch eine gegensinnige Drehung des kodierten Objektes hervorrufen und damit die durchgeführte Drehung kompensieren. In diesem Fall erhält ein Kodiermittel Steuersignale zum Ändern der Kodierung. Die Korrekturwerte sind in einer Nachschlagetabelle in Abhängigkeit vom Drehwinkel und einer Vielzahl von Augenpositionen AP n vorberechnet gespeichert. Das gedrehte dreidimensionale Objekt kann in weiterer Ausbildung auch einfach neu berechnet und kodiert werden. In Abhängigkeit von der ermittelten Augenposition, deren Daten an die Steuermittel übermittelt werden, steuern die Steuermittel Aktuatoren an. Diese drehen die Lichtmodulatormatrix entsprechend den übermittelten Signalen.In a first exemplary embodiment, the light modulator matrix SLM is designed to be variably rotatable about its optical axis. The 3a schematically shows a part of the light modulator matrix SLM of 2a in slightly turned condition. As a result of the rotation, the raster R2 of the light source images LB in the observer plane becomes 3b rotated such that light source images LB of the visibility range SB generated for the eye position AP 1 do not reach the adjacent eye position AP 1 '. The rotation can be variable within a relatively small, fixed angle range between 1 ° and 5 ° depending on the signal of the position detection system not shown here. In this area, the rotation of an object coded in the modulator cells is tolerable or barely perceived by the observer. If the angle of rotation exceeds the limit of 5 °, then the rotation of the light modulator matrix SLM must also be taken into account in the coding. Correction values must be integrated into the coding, which computationally cause an opposite rotation of the coded object and thus compensate for the rotation performed. In this case, a coding means receives control signals for changing the coding. The correction values are stored in a look-up table as a function of the angle of rotation and a multiplicity of eye positions AP n precalculated. The rotated three-dimensional object can also be easily recalculated and coded in a further embodiment. Depending on the determined eye position, the data of which are transmitted to the control means, the control means actuators. These rotate the light modulator matrix according to the transmitted signals.

In den 4a bis 4d sind auf der rechten Seite verschiedene mögliche Ausführungen von Rastern R1 der Modulatorzellen in einer Lichtmodulatormatrix SLM ausschnittweise dargestellt. Links sind die Intensitätsverteilungen im Raster R1 von z.B. 10 × 10 Modulatorzellen zu sehen, die bei Beleuchtung mit kohärentem Licht auftreten. Die Raster R1 erzeugen in Betrachterebenen an Augenpositionen entsprechende Raster von Lichtquellenbildern derart, dass keine störenden Lichtquellenbilder in benachbarte Betrachteraugen fallen.In the 4a to 4d On the right side, various possible embodiments of grids R1 of the modulator cells in a light modulator matrix SLM are shown in fragmentary form. On the left are the intensity distributions in the grid R1 of, for example, 10 × 10 modulator cells that appear when illuminated with coherent light. The rasters R1 generate raster images of light source images in view planes at eye positions such that no interfering light source images fall into adjacent observer eyes.

In 4a ist das bereits aus 2a bekannte schachbrettartige Raster R1 von Modulatorzellen (rechts) mit den dazugehörigen Intensitätsverteilungen (links) dargestellt, die auch ein Raster bilden. Eine Optimierung der Lage der Lichtquellenbilder erfolgt durch eine Drehung der Lichtmodulatormatrix, deren Ergebnis in 3b zu sehen ist. Die 4b zeigt ein Raster R1, bei dem jede zweite Zeile von Modulatorzellen symmetrisch um eine Zellenhälfte versetzt zur benachbarten Zeile angeordnet ist. Die Anordnung der Modulatorzellen in diesem Raster R1 wird auch als Scherung bezeichnet. In 4c weist die Lichtmodulatormatrix ein Raster R1 von Modulatorzellen aus 4a auf, das um 45° gedreht wurde. Links sind die Intensitätsverteilungen in diesem Raster R1 zu sehen. Bei den 4a bis 4c sind die Modulatorzellen beispielhaft quadratisch dargestellt. Es können selbstverständlich auch rechteckige Modulatorzellen verwendet werden. Entscheidend ist immer das Raster der Modulatorzellen, das ein entsprechendes Raster an Intensitätsverteilungen erzeugt.In 4a is this already off 2a Known grid-like grid R1 of modulator cells (right) with the associated intensity distributions (left) shown, which also form a grid. An optimization of the position of the light source images is effected by a rotation of the light modulator matrix, the result in 3b you can see. The 4b shows a grid R1, in which every other row of modulator cells is arranged symmetrically offset by one cell half to the adjacent line. The arrangement of the modulator cells in this grid R1 is also referred to as shear. In 4c For example, the light modulator matrix has a grid R1 of modulator cells 4a which was turned 45 °. On the left you can see the intensity distributions in this grid R1. Both 4a to 4c the modulator cells are shown by way of example square. Of course, rectangular modulator cells can also be used. The decisive factor is always the raster of the modulator cells, which generates a corresponding grid of intensity distributions.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung eines Rasters R1 lässt sich gemäß 4d mit einer hexagonalen Anordnung von Modulatorzellen erreichen, die in der beleuchteten Lichtmodulatormatrix SLM auch zu einer hexagonalen Anordnung der Intensitäten führen. Daraus resultierende Lichtquellenbilder liefern für die benachbarten Betrachteraugen in der Betrachterebene immer Bereiche, in denen keine oder nur eine sehr geringe Intensität auftritt. Die ersten Raster R1 mit den in den 4b bis 4d dargestellten Anordnungen von Modulatorzellen erzeugen in einer Betrachterebene ein zweites Raster R2 von Lichtquellenbildern, mit denen ein Übersprechen von Intensitäten des definierten Sichtbarkeitsbereichs auf benachbarte Betrachteraugen verhindert wird.A particularly advantageous embodiment of a grid R1 can be according to 4d reach with a hexagonal arrangement of modulator cells, which also lead to a hexagonal arrangement of the intensities in the illuminated light modulator matrix SLM. Resulting light source images always provide areas for the neighboring observer eyes in the observer plane in which no or only a very low intensity occurs. The first grid R1 with the in the 4b to 4d shown arrangements of modulator cells generate in a viewer plane, a second grid R2 of light source images, with which a crosstalk of intensities of the defined visibility range is prevented to adjacent observer eyes.

Das Raster R1 in 4d hat für die Anwendung in einer Lichtmodulatormatrix eines holographischen Displays aber noch weitere Vorteile. Ein Sichtbarkeitsbereich wird an einer ermittelten Augenposition erzeugt und enthält mindestens die Augenpupille. Da die Augenpupille rund und der Sichtbarkeitsbereich durch Vorgabe von normalerweise verwendeten eckigen Modulatorzellen eckig ist, erreichen Informationen aus den Eckbereichen nicht das Betrachterauge. Bei der Anwendung einer Lichtmodulatormatrix mit einer hexagonalen Anordnung von Modulatorzellen ist die Fouriertransformierte dieser Anordnung wieder eine hexagonale Anordnung. Dies führt in der Betrachterebene des holographischen Displays zu einem ebenfalls hexagonalen Sichtbarkeitsbereich. Diese Form ist dafür bekannt, dass runde Körper, also die Augenpupille, dort mit dem geringsten Platzverlust angeordnet werden können. Einer Augenpupille wird in einem hexagonalen Sichtbarkeitsbereich der größte Informationsgehalt einer hexagonalen Modulatorzelle im Vergleich zur eckigen Modulatorzelle angezeigt. Dies wird in 5 schematisch dargestellt. Sie zeigt einen Ausschnitt der hexagonalen Anordnung von hexagonalen Modulatorzellen in einer Lichtmodulatormatrix SLM nach 4d. Die Augenpupille EP eines Betrachterauges ist als Kreis in der mittleren Modulatorzelle zu sehen. Dieser Kreis gibt die maximale Größe der Augenpupille EP an. Der ungenutzte Bereich zwischen dem Kreis und der Modulatorzelle ist kleiner als bei rechteckigen Modulatorzellen. Eine derartig ausgebildete Lichtmodulatormatrix hat die höchste Packungsdichte. Sie kann vorteilhaft für eine farbige Rekonstruktion von räumlich verschachtelten Ansichten in einem holographischen Display genutzt werden, da man hier im Vergleich zur einfarbigen Darstellung eine größere Anzahl von Modulatorzellen benötigt.The grid R1 in 4d has for the application in a light modulator matrix of a holographic display but still other advantages. A visibility area is generated at a detected eye position and contains at least the eye pupil. Since the eye pupil is round and the visibility range is square by default of commonly used square modulator cells Information from the corner areas not the viewer's eye. When using a light modulator matrix with a hexagonal array of modulator cells, the Fourier transform of this arrangement is again a hexagonal array. In the observer plane of the holographic display, this leads to a likewise hexagonal visibility region. This form is known that round bodies, so the eye pupil, can be arranged there with the least amount of space lost. For an eye pupil, the greatest information content of a hexagonal modulator cell is displayed in a hexagonal visibility region compared to the square modulator cell. This will be in 5 shown schematically. It shows a section of the hexagonal arrangement of hexagonal modulator cells in a light modulator matrix SLM 4d , The eye pupil EP of a viewer's eye can be seen as a circle in the middle modulator cell. This circle indicates the maximum size of the eye pupil EP. The unused area between the circle and the modulator cell is smaller than with rectangular modulator cells. Such a trained light modulator matrix has the highest packing density. It can be used advantageously for a colored reconstruction of spatially interlaced views in a holographic display, since one needs a larger number of modulator cells compared to the single-color representation.

In 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines in der horizontalen Richtung gestauchten hexagonalen Rasters R1 von Modulatorzellen nach 4d dargestellt. Durch die gestauchte Form der Modulatorzellen kann der Sichtbarkeitsbereich besser an die Augenbewegung angepasst werden.In 6 is an embodiment of a compressed in the horizontal direction hexagonal grid R1 of modulator cells after 4d shown. Due to the compressed shape of the modulator cells, the visibility range can be better adapted to the eye movement.

Zur weiteren Erhöhung der vom Auge detektierten optischen Leistung kann gemäß 7 eine andere, ebenfalls optimal an das Auge angepasste Form des Sichtbarkeitsbereichs SB erzeugt werden. Diese Form entspricht der statistisch dynamischen Form des Aufenthalts der Augenpupille AP während der Augenbewegung im Sichtbarkeitsbereich SB. Die Bewegungsrichtungen der Augenpupille AP sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die Form einer Modulatorzelle in der Lichtmodulatormatrix SLM, die diesen Sichtbarkeitsbereich erzeugt, ist gestrichelt dargestellt. Das Raster R1 im SLM würde Modulatorzellen aufweisen, die so nahe wie möglich aneinander liegen, ähnlich einer Wabenform. To further increase the optical power detected by the eye, according to 7 another, also optimally adapted to the eye shape of the visibility range SB are generated. This shape corresponds to the statistically dynamic form of the stay of the eye pupil AP during the eye movement in the visibility area SB. The directions of movement of the eye pupil AP are indicated by arrows. The shape of a modulator cell in the light modulator matrix SLM, which generates this visibility region, is shown in dashed lines. The grid R1 in the SLM would have modulator cells that are as close to each other as possible, similar to a honeycomb shape.

Der Hintergrund für diese Form ist folgender: Das Auge führt Bewegungen aus, die zu einer Verteilung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Augenpupille AP führen, die für einen festen Wert der Aufenthaltswahrscheinlichkeit horizontal größer als vertikal ist. Linien gleicher Aufenthaltswahrscheinlichkeiten können durch Ellipsen angenähert werden, die horizontal breiter als vertikal hoch sind, d.h. durch Ellipsen, deren längere Hauptachse in der Horizontalen liegt. Das Verhältnis der beiden Hauptachsen kann z.B. mit horizontal 16 zu vertikal 9 dem natürlichen Sehen entsprechend angenommen werden. Die statistisch dynamische Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Augenpupille innerhalb eines kleinen Zeitintervalls ist horizontal verbreitert. Das heißt, dass die Anforderungen an ein System zur Ermittlung der Pupillenposition und der Nachführung des Lichtes zu der ermittelten Pupillenposition horizontal und vertikal unterschiedlich sind. Ist der Fehler Δx/Δt dieses Systems rotationssymmetrisch, so ist es vorteilhaft, einen in der Horizontalen weiter ausgedehnten Sichtbarkeitsbereich zu erzeugen. Dementsprechend wird der angepasste Sichtbarkeitsbereich eine Ellipse mit horizontal größerer Hauptachse sein. Dieser Sichtbarkeitsbereich wird durch Beugung des Lichts an einer Modulatorzelle erzeugt, die vertikal größer ist als horizontal. Dem Beispiel folgend hat dann die Modulatorzelle optimal eine Ellipsenform mit einem Seitenverhältnis horizontal zu vertikal von 9:16. Da die Augenpupille mehr horizontale als vertikale Bewegungen ausführt, ist diese Ellipsenform für das Augennachführen optimal geeignet. Der Anteil der vom Auge nicht mehr erfassten optischen Leistung im ellipsenförmigen Sichtbarkeitsbereich kann gegenüber Sichtbarkeitsbereichen, die durch andere Formen von Modulatorzellen erzeugt werden, reduziert werden.The background for this form is as follows: The eye executes movements that lead to a distribution of the probability of the pupil AP, which is horizontally greater than vertical for a fixed value of the probability of residence. Lines of equal probabilities can be approximated by ellipses that are horizontally wider than vertically high, i. by ellipses, whose longer main axis lies in the horizontal. The ratio of the two principal axes may e.g. with horizontal 16 to vertical 9 according to natural vision. The statistically dynamic probability of the eye pupil staying within a small time interval is widened horizontally. That is, the requirements for a system for determining the pupil position and the tracking of the light to the detected pupil position are horizontally and vertically different. If the error .DELTA.x / .DELTA.t of this system is rotationally symmetrical, it is advantageous to generate a further extended in the horizontal visibility range. Accordingly, the adjusted visibility area will be an ellipse with a horizontal major axis. This visibility area is created by diffracting the light at a modulator cell which is vertically larger than horizontal. Following the example, the modulator cell will then optimally have an elliptical shape with an aspect ratio horizontal to vertical of 9:16. Since the eye pupil performs more horizontal than vertical movements, this elliptical shape is optimally suited for eye tracking. The proportion of optical power no longer detected by the eye in the elliptical visibility region can be reduced compared to visibility regions which are generated by other forms of modulator cells.

Analog der 6 können auch die Anordnungen der Modulatorzellen von 4a bis 4d gestaucht werden, um ein Verhältnis von Breite zu Höhe der Modulatorzellen von 9:16 zu realisieren. Das führt in der Betrachterebene wieder zu einem Sichtbarkeitsbereich, der ein Verhältnis von Breite zu Höhe von 16:9 aufweist.Analogous to 6 can also be the arrangements of the modulator cells of 4a to 4d upset to realize a width to height ratio of the modulator cells of 9:16. This again leads to a visibility range in the observer level, which has a ratio of width to height of 16: 9.

Die in 4a bis 4d beschriebenen Lösungen können mit zusätzlichen optischen Komponenten in der Lichtmodulationseinrichtung für spezielle Anwendungsfälle erweitert werden. Beispielsweise können die Lichtmodulatormatrizen kombiniert werden mit einem abbildenden optischen System mit variabler Vergrößerung. Es wird durch von den Steuermitteln gesteuerte Aktuatoren betätigt, um zusätzlich noch die Abstände der Lichtquellenbilder in der Betrachterebene proportional zueinander skalieren zu können. Das kann zutreffen, wenn Augenpositionen an deutlich vom durchschnittlichen Betrachterabstand abweichenden Tiefenpositionen zum SLM ermittelt werden. Dies entspricht einer abstandsabhängigen Nachführung des Rasters der Lichtquellenbilder. Das abbildende optische System mit variabler Vergrößerung kann aber auch allein als selbständige Maßnahme zum Verändern der Lage der Lichtquellenbilder in der Lichtmodulationseinrichtung eingesetzt werden. In the 4a to 4d described solutions can be extended with additional optical components in the light modulation device for special applications. For example, the light modulator arrays may be combined with a variable magnification imaging optical system. It is actuated by actuators controlled by the control means in order to additionally be able to scale the distances of the light source images in the observer plane proportionally to one another. This may be true if eye positions are determined at depths deviating significantly from the average observer distance to the SLM. This corresponds to a distance-dependent tracking of the grid of the light source images. However, the variable magnification imaging optical system can also be used alone as a stand-alone measure for changing the position of the light source images in the light modulation device.

Ein weiterer Anwendungsfall betrifft das Erweitern des Betrachterbereichs, um auch weiter voneinander entfernten Betrachtern eine Information zu liefern. Dann werden zusätzlich großflächige optische Ablenkmittel in den Lichtweg gebracht, die das zweite Raster von Lichtquellenbildern virtuell über einen vergleichsweise relativ großen Bereich zusätzlich lateral verschieben. Das kann z.B. in Fahrzeugen oder Flugzeugen genutzt werden, um für den Fahrer und mitfahrende Personen Informationen mit einem holographischen Display zur Verfügung zu stellen. Die Informationen werden über entsprechend installierte optische Ablenkmittel, z.B. Spiegel, auf die jeweiligen Betrachteraugen abgelenkt.Another application involves expanding the viewer area to provide information to viewers further apart. Then, in addition, large-area optical deflection means are brought into the light path which additionally laterally shift the second grid of light source images virtually over a comparatively relatively large area. This can e.g. used in vehicles or aircraft to provide information to the driver and passengers with a holographic display. The information is transmitted via appropriately installed optical deflection means, e.g. Mirror, distracted to the respective viewer's eyes.

Um bei geringfügigen Bewegungen des Betrachterauges nicht sofort eine Nachführung des Sichtbarkeitsbereichs durch die Steuermittel auszulösen, kann an der Position des ermittelten Betrachterauges der Sichtbarkeitsbereich begrenzt vergrößert werden. Das kann man erreichen, indem an dieser Augenposition zusätzlich eine schnelle periodische, laterale Auslenkung des generierten Sichtbarkeitsbereichs ausgeführt wird. Dazu erzeugen die Steuermittel zusätzlich Steuersignale, die als Phasensignale und/oder als Amplitudensignale den im Lichtmodulator kodierten Werten und/oder den Steuerwerten der Prismenzellen hinzuaddiert werden. Die zusätzlichen Steuersignale werden in Abhängigkeit vom ermittelten Ablenkwinkel der Betrachteraugen und einem Winkel, der der örtlich begrenzten Auslenkung entspricht, ermittelt. Konkret bekommt z.B. das Prismensignal ein z.B. sinusförmiges Spannungssignal aufmoduliert.In order not to immediately trigger tracking of the visibility range by the control means in the case of slight movements of the viewer's eye, the visibility range can be limitedly increased at the position of the determined viewer's eye. This can be achieved by additionally performing a fast periodic, lateral deflection of the generated visibility range at this eye position. For this purpose, the control means additionally generate control signals which are added as phase signals and / or as amplitude signals to the values coded in the light modulator and / or to the control values of the prism cells. The additional control signals are determined as a function of the determined deflection angle of the observer's eyes and an angle which corresponds to the localized deflection. Concretely, e.g. the prism signal, e.g. sinusoidal voltage signal modulated.

In einer weiteren Ausführung ist die Lichtmodulationseinrichtung mit einem Ablenkfeld zum Nachführen von Sichtbarkeitsbereichen für Betrachteraugen in zwei Richtungen kombinierbar. Das Ablenkfeld weist Zellen auf, die nach dem Elektrowetting-Prinzip funktionieren. Das Ablenken von Lichtbündeln in diesen Zellen verschiebt vermehrt Intensitäten in die höheren Beugungsordnungen. Deshalb ist die Erfindung auch für derartige Nachführeinrichtungen wichtig, insbesondere, wenn eine direkte Zuordnung einer Ablenkzelle zu einer Modulatorzelle vorliegt. Die Lichtbündel werden durch einstellbare Grenzflächen im Ablenkfeld auf jeweils ein ermitteltes Betrachterauge im Sichtbarkeitsbereich abgelenkt und überlagert, wobei die Steuermittel das Einstellen von Neigungswinkeln der Grenzflächen in einem vorgegebenen Winkelbereich steuern. Die Lichtmodulationseinrichtung weist daher auch Mittel zum Steuern von Elektroden auf, die die Neigungswinkel der Grenzflächen des Ablenkfelds abhängig von der erfassten Augenposition einstellen. Im Fall einer hexagonalen Anordnung von hexagonal ausgebildeten Modulatorzellen sollten die Zellen des Ablenkfelds zweckmäßigerweise auch hexagonal ausgebildet sein.In a further embodiment, the light modulation device can be combined with a deflection field for tracking visibility ranges for observer eyes in two directions. The deflection field has cells which function according to the electrowetting principle. The deflection of light bundles in these cells increasingly shifts intensities into the higher diffraction orders. Therefore, the invention is also important for such tracking devices, especially when there is a direct assignment of a deflection cell to a modulator cell. The light bundles are deflected and superimposed by adjustable boundary surfaces in the deflection field onto respectively determined observer eye in the visibility region, the control means controlling the setting of inclination angles of the boundary surfaces in a predetermined angular range. The light modulation device therefore also has means for controlling electrodes which adjust the angles of inclination of the boundary surfaces of the deflection field as a function of the detected eye position. In the case of a hexagonal arrangement of hexagonal modulator cells, the cells of the deflection field should expediently also be hexagonal.

Ein holographisches Display mit einer steuerbaren Lichtmodulationseinrichtung nach einem der Ausführungsbeispiele kann störende Beugungsordnungen in zum ermittelten Betrachterauge benachbarten Augen erfolgreich unterdrücken, wobei die Darstellungsqualität der erzeugten holographischen Rekonstruktion verbessert wird.A holographic display with a controllable light modulation device according to one of the embodiments can successfully suppress disturbing diffraction orders in eyes adjacent to the determined observer eye, whereby the display quality of the generated holographic reconstruction is improved.

Claims

A controllable light modulation device having a light modulator matrix (SLM), in which modulator cells are arranged in a first grid (R1) and diffracting coherent light beams arriving from light sources which are projected into a defined visibility range (SB) at a determined eye position (AP n) in a viewer plane (BE1 , BE2) having light source images in a second grid (R2), the defined visibility area (SB) being positionable between two light source images (LB), and control means (CM) for controlling a position detection system (PE) and the light modulation, characterized in that the modulator cells in the first grid (R1) are arranged such that in the observer plane (BE1, BE2) with the diffracted light beams, the second grid (R2) can be generated with areas without or with very low intensity at locations of observer eyes, which are adjacent to the positioned visibility region (SB), the regions He is generated with a rotational movement of the light modulator matrix (SLM), which is controllably rotatable with a maximum angular range, can be generated.

A controllable light modulation device having a light modulator matrix (SLM), in which modulator cells are arranged in a first grid (R1) and diffracting coherent light beams arriving from light sources which are projected into a defined visibility range (SB) at a determined eye position (AP n) in a viewer plane (BE1 , BE2) having light source images in a second grid (R2), the defined visibility area (SB) being positionable between two light source images (LB), and control means (CM) for controlling a position detection system (PE) and the light modulation, characterized in that the modulator cells in the first grid (R1) are arranged such that in the observer plane (BE1, BE2) with the diffracted light beams, the second grid (R2) can be generated with areas without or with very low intensity at locations of observer eyes, which are adjacent to the positioned visibility region (SB), the light m is combined with a variable magnification imaging optical system and the areas for a given depth position of the observer eyes to the light modulator matrix (SLM) can be generated.

Controllable light modulation device according to claim 1 or 2, wherein the light modulator matrix (SLM) is designed to be rotatable about its optical axis, wherein the rotation, depending on a signal of the position detection system (PE) controllable, takes place in a defined angular range.

Controllable light modulation device according to claim 1 or 2, wherein the light modulator matrix (SLM) is coded with hologram values of a 3D scene, which are changeable as soon as the rotational angle of the light modulator matrix (SLM) to be set is greater than the defined angular range.

A controllable light modulation device according to claim 4, wherein correction values are pre-calculated depending on the rotation angle and a plurality of eye positions (AP n) for changing the coding in a look-up table.

Controllable light modulation device according to claim 4, wherein in the modulator cells coded sub-holograms of individual object points of the 3D scene for changing the coding in the light modulator matrix (SLM) are displaceable, wherein the displacement of the rotation of the light modulator matrix (SLM) is compensated.

Controllable light modulation device according to claim 1 or 2, wherein the first grid (R1) of the light modulator matrix (SLM) has modulator cells, which are arranged hexagonally and regularly formed.

A controllable light modulation device with a first grid (R1) according to one of claims 1 to 7, which additionally has a compression in the horizontal direction, with which a visibility region (SB) can be generated, which is the statistically dynamic form of the presence of an eye pupil during eye movement in the visibility region (SB) is adjusted.

Controllable light modulation device according to claim 1 or 2, wherein in the optical path, a variable-magnification imaging optical system is actuated by actuators for scaling the distances of the light source images (LB) proportional to each other in the second grid (R2), wherein the actuators by control means (CM) are controllable.

Controllable light modulation device according to claim 9, wherein for the additional lateral displacement of the second grid (R2) of virtual light source images (LB) over a large area large-area optical deflection means are provided.

Controllable light modulation device according to one of Claims 1 to 10, having a deflection field with which light beams can be deflected and superimposed onto a respective observer eye in the visibility region (SB), with the deflection of which light source images (LB) can be displaced into higher diffraction orders.

Controllable light modulation device according to claim 11, in which the deflection field according to the electrowetting principle has functioning matrix-shaped deflection cells which contain at least one interface which are adjustable in a predetermined angular range.

Controllable light modulation device according to at least one of the preceding claims for use in a holographic display.