Die Erfindung betrifft eine Lichtmodulationsvorrichtung für ein Display, das mindestens einen räumlichen Lichtmodulator und mindestens eine steuerbare Beugungseinrichtung aufweist, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei das Display zur dreidimensionalen Darstellung von Bildern einer 3D Szene ausgestaltet ist.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Displays mit einem Betrachterfenster, die ein holographisches oder autostereoskopisches Display sein können, bei denen eine 3D Szene als z.B. ein Hologramm kodierbar ist, oder die stereoskopischen Bilder der 3D Szene zwei- und/oder dreidimensional darstellbar sind. Betrachter können die 3D Szene als holographische Rekonstruktion oder als Stereobild sehen, wenn mindestens ein Betrachterfenster mit den Positionen von Betrachteraugen übereinstimmt. Mit einem holographischen Display kann der Betrachter eine rekonstruierte Szene eines Objektes in einem Rekonstruktionsraum sehen, welcher von dem Betrachterfenster und dem Bildschirm aufgespannt wird, wenn ein Betrachterfenster mit der Augenpupille zusammenfällt. Die Augenpupille befindet sich an der Augenposition, für welche die Rekonstruktion zu erzeugen ist. Bewegt sich jedoch der Betrachter seitlich zur bzw. entlang der optischen Achse des Displays, fällt das Betrachterfenster nicht mehr mit der Augenpupille des Betrachters zusammen, und der Betrachter könnte die Rekonstruktion nicht mehr vollständig sehen. Damit der Betrachter die Rekonstruktion wieder vollständig sehen kann, müssen die Position des Betrachterfensters und die neue Position der Augenpupille (Augenposition) wieder übereinstimmen.

Hierzu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise durch die DE 10 2005 023 743 A1 oder die WO 2007/131817 A1 , das Betrachterfenster lateral und/oder axial mittels eines Ablenkelements an die neue Augenposition zu führen. Dabei muß die Größe des Betrachterfensters für die neue Augenposition entsprechend dem Abstand zu einer Bezugsebene, die z.B. die Ebene des steuerbaren Lichtmodulators sein kann, vorgebbar angepasst werden. In einer Anzahl von Druckschriften sind autostereoskopische Displays beschrieben, z. B. in der DE 10 2008 043 620 A1 oder der WO 03/019952 A1 , in denen 3D Szenen dreidimensional darstellbar und von mindestens einem Betrachter mit Betrachterfenstern zu sehen sind, die auch als Sweet-Spots bezeichnet werden. Auch hier können Betrachterfenster an wechselnden Positionen von Betrachteraugen erzeugt werden.

Der Abstrahlwinkel der Lichtquellen bestimmt in einem autostereoskopischen Display die Größe des Betrachterfensters, das die Abbildung der Lichtquellen mittels eines Linsen-Arrays in die Betrachterebene ist. Bei Verändern des axialen Abstands zu einer Bezugsebene (z.B. Display- oder Modulatorfläche) ändert sich bekanntermaßen die Größe des Betrachterfensters, so dass das Problem des Überlappens der Betrachterfenster für zwei Augen auftreten kann, und dadurch die Wahrnehmung der dreidimensionalen Darstellung für die zugeordneten Betrachter gestört sein kann. Im Fall der Verkleinerung des Betrachterfensters tritt das Problem auf, dass die 3D Szene nicht komplett dreidimensional gesehen werden kann.

Gleiches trifft zu, wenn das holographische Display mit einer 1 D-Kodierung in einem Single-Parallax-Modus betrieben wird, und ein Betrachterfenster mit einer Ausdehnung entsprechend einer Pupillengröße in der inkohärenten Richtung erzeugt werden soll. Ebenso besteht die Forderung, ein autostereoskopisches oder holographisches Display vom 3D-Darstellungsmodus in den 2D-Darstellungsmodus umschaltbar auszuführen. Dazu kann beispielsweise ein schaltbarer Diffusor (Streuelement) zusätzlich im Lichtweg verwendet werden, siehe beispielsweise US 5,897, 184. Der Diffusor kann für den 3D Modus z.B. einen transparenten, nicht streuenden Zustand aufweisen. Die Größe des zu erzeugenden Betrachterfensters, die wenigstens dem Augenpupillendurchmesser entsprechen sollte, wird im 3D Modus stets dem Abstand einer erfassten Augenposition zum Display angepasst.

Für den 2D Modus ist der Diffusor in den streuenden Zustand schaltbar. Dann sollte das Betrachterfenster wenigstens so groß sein, dass es sich über beide Augen eines Betrachters, oder sogar über alle Augen aller Betrachter erstrecken kann. Durch zusätzliche optische Elemente, wie einem schaltbaren Diffusor oder oben genannten Ablenkelementen, wird ein Display zur Darstellung von dreidimensionalen Bildinhalten aufwändiger, teurer und störanfälliger.

Ein schaltbares Streuelement ist - für sich gesehen - beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2010/058625 (entspricht der WO 2010/149587 A2) bekannt. Hiermit wird der Offenbarungsgehalt der PCT/EP2010/058625 hier vollumfänglich einbezogen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Display zu schaffen, mit dem eine 3D Szene im 3D- und/oder 2D-Darstellungsmodus an wechselnden Augenpositionen dargestellt werden kann. Die Darstellung der autostereoskopischen oder holographischen Bilder der 3D Szene wie auch der Wechsel in den 2D-Darstellungsmodus soll mit geringem Aufwand von optischen Mitteln durchführbar sein. Ein derartiges Display soll von mehreren Betrachtern gleichzeitig nutzbar sein.

Es wird von einem Display ausgegangen, das zum Darstellen einer 3D Szene in einem 3D Modus und einem 2D Modus ansteuerbar ist, und das eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator und mindestens einer ansteuerbaren Beugungseinrichtung, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei ein Betrachterfenster mit kohärenten Lichtbündeln an wechselnden Augenpositionen erzeugbar ist, enthält.

Erfindungsgemäß kann die Aufgabe mit einer Lichtmodulationsvorrichtung gelöst werden, bei der die Beugungseinrichtung Elektroden und ein steuerbares Material aufweist, in das eine Prismen- und/oder Linsenfunktion und eine Streufunktion als Beugungsgitter mit einem Phasenverlauf mindestens eindimensional ansteuerbar einschreibbar sind, wobei das Beugungsgitter der Streufunktion Phasenhübe aufweist, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig zu einem Abstand der erfassten Augenposition angesteuert sind, für welche die vorgegebene Größe des Betrachterfensters für einen vorgegebenen Darstellungsmodus ansteuerbar ist. Dabei ersetzt die in die Beugungseinrichtung eingeschriebene Streufunktion ein ansonsten üblicherweise in einer solchen Lichtmodulationsvorrichtung eingesetztes, als zusätzliches optisches Element ausgebildetes Streuelement zum Ausführen eines 2D-Modus, das hierfür mindestens eindimensional ansteuerbar sein muss. Für erfasste Augenpositionen, die einen unterschiedlichen Abstand zur Beugungseinrichtung aufweisen, kann zudem vorteilhaft der Streuwinkel für durchtretende Lichtbündel so gesteuert werden, dass die vorgegebene Größe eines Betrachterfensters im 3D Modus gleich bleibt.

Wenn zum z-Tracking (axiale Richtung) des Betrachters eine in einer steuerbaren Beugungseinrichtung eingeschriebene Linsenfunktion in ihrer Brennweite verändert wird, kann ein Betrachterfenster in einer neuen Betrachterebene erzeugt werden. Jedoch verändert sich die Größe bzw. mindestens horizontale Breite des Betrachterfensters in der inkohärenten Richtung proportional zum Abstand des Betrachterfensters zur Bezugsebene. Ein zu kleines Betrachterfenster kann nicht mehr die komplette Augenpupille ausleuchten, und ein zu großes Betrachterfenster kann zu einem Übersprechen auf das Nachbarauge führen. Dieses Problem kann mit der Erfindung überwunden werden. Eine vorgegebene Breite des Betrachterfensters mit z.B. 2 bis 3 cm kann bei einer Änderung der Augenposition in axialer Richtung eingehalten werden und diese Breite für erfasste andere Augenpositionen mit der Beugungseinrichtung gezielt angesteuert werden. Mit den als Beugungsgitter eingeschriebenen Phasenhüben weisen dabei die Lichtbündel, die durch den Lichtmodulator geführt werden, Streuwinkel auf, die vorzugsweise mit einer Variation der Anzahl von gleichzeitig anzusteuernden Elektroden geändert werden können.

Zum Berechnen von Steuerwerten, die als Phasenwerte für die Streufunktion einschreibbar sind, sind zum Realisieren der Erfindung zwei unterschiedliche Verfahren vorteilhaft anwendbar. Die Phasenwerte können beispielsweise als Folgen von Zufallsphasenwerten oder z.B. mit einer Fouriertransformation in einem iterativen Verfahren berechnet werden, bei denen ein Intensitätsverlauf in der Betrachterebene für ein zu erzeugendes Betrachterfenster vorgebbar ist. Gemäß der Erfindung können Phasenhübe mit einer Folge von Zufallsphasenwerten gesteuert werden, die mit der Steuereinrichtung aus einem Raumfrequenz- und/oder Wertespektrum ausgewählt werden können. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß es mit einem geringen Rechenaufwand durchführbar ist. Das Betrachterfenster weist an einer erfassten Augenposition einen kontinuierlichen Intensitätsverlauf von Licht auf, wobei das Betrachterfenster nicht scharf begrenzt ist. Mit einem Verfahren, bei dem, bei gleichbleibender Frequenz, das Wertespektrum der Phasenwerte verringert ist, kann ebenfalls die Größe des Betrachterfensters verändert (in diesem Fall in seiner Breite verringert) werden. Die maximale Phase des Wertespektrums kann beispielsweise nur noch π statt 2π betragen. Dabei können Phasenwerte aus Tabellen, in denen für Koordinaten von möglichen Positionen von Betrachteraugen entsprechende Phasenwerte als Steuerwerte gespeichert sind, ausgelesen werden, um die Berechnungszeiten zu verringern.

Die Streufunktion ist mit einem Phasenverlauf als Beugungsgitter steuerbar einschreibbar, mit dem die Lichtbündel ein Betrachterfenster für die Betrachteraugen eines Betrachters mit einer Größe bilden, mit der ein von der Steuereinrichtung vorgegebener 2D-Darstellungsmodus realisierbar ist. Erfindungsgemäß kann dadurch eine Umschaltung vom 3D Modus in den 2D Modus ausgeführt werden, ohne dass ein zusätzliches ein- und ausschaltbares Streuelement im Lichtweg angesteuert werden muss. Mit der Steuerung der Streufunktion als einzuschreibendes Beugungsgitter kann die vorgegebene Größe des Betrachterfensters unverändert bleiben, oder steuerbar so geändert werden, dass für einen Betrachter der 3D Modus in den 2D Modus ansteuerbar änderbar ist. Auch der umgekehrte Weg kann mit der erfindungsgemäßen Lichtmodulationseinrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Beugungseinrichtung ausgeführt werden. Weiterhin ist die Streufunktion mit Phasenwerten als Beugungsgitter steuerbar einschreibbar, die mit dem Verfahren der iterativen Fouriertransformation berechenbar sind.

Die Berechnung der iterativen Fouriertransformation erfolgt mit komplexen Matrixwerten, die mindestens eine eindimensionale Werteverteilung aufweisen, und mit denen mindestens ein Beugungsgitter in mindestens eine Richtung einschreibbar ist, wobei eine Intensitätsverteilung und die Größe bzw. mindestens horizontale Breite für das Betrachterfenster vorgegeben sind.

Die Größe des Betrachterfensters ist mindestens eindimensional steuerbar durch das Einschreiben der Streufunktion in die Beugungseinrichtung, oder durch ein defokussiertes Abbilden von Lichtquellen, von welchen mindestens teilweise kohärente Lichtbündel ausgesandt werden. In die Beugungseinrichtung ist deshalb zum defokussierten Abbilden in eine Ebene nahe der Betrachterebene ein sphärischer Phasenverlauf als Beugungsgitter einschreibbar.

In weiterer Ausbildung der Beugungseinrichtung ist eine Linsenfunktion mit einem sphärischen Phasenverlauf als Beugungsgitter einschreibbar, wobei die Größe des Betrachterfensters in der Ebene nahe der Betrachterebene eindimensional in inkohärenter Richtung steuerbar ist.

Ein für Prismen- oder Linsenfunktionen mit Phasenverläufen ansteuerbares Beugungsgitter kann einfallendes Licht nur ablenken bzw. fokussieren. Der vom Betrachterfenster heraus sichtbare Bildinhalt, der eine 3D-Szene holographisch oder autostereoskopisch im 3D Display sichtbar machen kann, wird in einem separaten SLM generiert. Die für einen definierten Betrachterabstand (erfasste Augenposition) vorgegebene Größe eines mit einem angesteuerten Beugungsgitter erzeugten Betrachterfensters ist auf die Pupillengröße eines entsprechend zuordenbaren Betrachters abgestimmt. Indem für die erfassten Augenpositionen in das das steuerbare Material der Beugungseinrichtung Ansteuerwerte so einschreibbar sind, dass eine berechnete Brechungsindex-Änderung erzeugbar wird, können ausgesandte Lichtbündel mit einer Prismenfunktion (laterale Ablenkung) und/oder einer Linsenfunktion (axiale Verschiebung des Betrachterfensters) und/oder einer Streufunktion moduliert werden.

In der Lichtmodulationsvorrichtung kann eine Lichtstreuung für den 2D Modus für lokal erfasste Augenpositionen eines Betrachters erfolgen, während der 3D Modus für andere Augenpositionen von anderen Betrachtern erhalten bleibt. Hierzu wird für den betreffenden Betrachter die entsprechende Streufunktion für die Darstellung einer 3D-Szene in einem 2D-Modus in das steuerbare Material der Beugungseinrichtung eingeschrieben.

Die Beugungseinrichtung kann beispielsweise mindestens eine steuerbare Flüssigkristall-Schicht (Liquid Crystal, LC) als steuerbares Material enthalten, oder eine Schicht eines festen Kristalls, in dem der Brechungsindex steuerbar ist. Ein Betrachterfenster kann mit einem zweidimensional angesteuerten Beugungsgitter an lateral und/oder axial unterschiedlichen Augenpositionen erzeugt werden. Eine vorgegebene Größe bzw. Breite des Betrachterfensters mit z.B. 2 bis 3 cm für einen 3D Modus kann in mindestens axialer Richtung bei einer Abstandsänderung der Augenposition unveränderbar eingehalten werden. Ein Betrachterfenster ist erfindungsgemäß mit einer als Beugungsgitter eingeschriebenen Streufunktion für jeweils erfasste Augenpositionen ansteuerbar erzeugbar.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Display mit einer Lichtmodulationsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stereoskopische und/oder holographische Bildinhalte in der Lichtmodulationsvorrichtung steuerbar darstellbar sind. Die Kombination einer steuerbaren Größenänderung eines Betrachterfensters und einer Änderung des Darstellungsmodus in einem erfindungsgemäßen Display mit einer das Licht refraktiv und diffraktiv beeinflussenden steuerbaren Einrichtung ermöglicht es, die Anzahl optischer Mittel im Display vorteilhaft verringern zu können.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher dargestellt und erläutert. In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 a in Draufsicht eine Lichtmodulationseinrichtung eines Displays mit

Betrachterfenstern, deren Breite proportional zum Abstand verändert ist, nach dem Stand der Technik,

Fig. 1 b in Draufsicht eine Lichtmodulationseinrichtung mit erzeugten

Betrachterfenstern, deren Breite dem Abstand angepasst ist, gemäß der Erfindung,

Fig. 2a, 3a, 4a Beispiele von Phasenverläufen, mit denen unterschiedliche Größen von Betrachterfenstern steuerbar sind, gemäß der Erfindung,

Fig. 2b, 3b, 4b Beispiele von vorgebbaren horizontalen Intensitätsverteilungen für vorgegebene Größen von Betrachterfenstern, gemäß der Erfindung, und

Fig. 5 ein Schema eines iterativen Transformationsverfahrens zum Ermitteln von Steuerwerten für einen Phasenverlauf, mit dem eine Streufunktion steuerbar einschreibbar ist. In den Figuren sind gleiche Komponenten eines 3D Displays mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Das 3D Display kann jeweils ein holographisches oder autostereoskopisches Display sein.

Die Erfindung geht davon aus, dass durch eine Beugungseinrichtung geführte Lichtbündel mittels Brechungsindexmodulation in einer angesteuerten Schicht der Beugungseinrichtung mit einer Prismen- und/oder einer Linsen- und einer Streufunktion moduliert werden können. Mit diesen Funktionen kann Licht mindestens eindimensional in eine vorgegebene Richtung ausgebreitet bzw. abgelenkt werden. Die Ausbreitung bzw. Ablenkung von Lichtbündeln kann festgelegt werden, indem diese Funktionen in der angesteuerten Schicht, z.B. einem Flüssigkristall (LC) Material, mit Spannungsverläufen als Beugungsgitter mindestens eindimensional steuerbar einschreibbar sind.

Die Beugungseinrichtung weist zum Steuern des steuerbaren Materials ein Elektrodenfeld mit einer Vielzahl von Elektroden auf, die parallel nebeneinander angeordnet und streifen- oder linienförmig ausgestaltet sind.

Das Display umfasst weiterhin eine Lichtmodulationsvorrichtung, mit der auftreffende, mindestens teilkohärente Lichtbündel mit kodierten stereoskopischen oder holographischen Bildern einer 3D Szene bei Ansteuerung mit einer Steuereinrichtung modulierbar sind. Die 3D Szene ist mit einem holographischen Display holographisch rekonstruierbar, oder in einem autostereoskopischen Display dreidimensional wahrnehmbar.

Fig. 1 a und 1 b zeigen in Draufsicht in schematischer Darstellung ein Display mit Betrachterfenstern unterschiedlicher Größe, das ein holographisches oder autostereoskopisches 3D Display sein kann. In Fig. 1 a ist ein Display D mit Betrachterfenstern SP1 , SP2 dargestellt, die eine vorgegebene Größe oder vorgegebene horizontale Breite an einer Augenposition entsprechend einem Abstand d1 und eine proportional veränderte Größe oder horizontale Breite SP1 ', SP2' entsprechend einem anderen Abstand d2 aufweisen. Im Abstand d2 sind die Betrachterfenster so groß, dass sie überlappen können. Betrachteraugen an der Augenposition d2 würden dann ein störendes Übersprechen vom linken Bildinhalt in das rechte Betrachterfenster, und umgekehrt, wahrnehmen. Dieses Übersprechen würde die 3D-Qualität verringern. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt.

Die Zentren der Betrachterfenster SP1 , SP2, und bevorzugt die Augen, weisen einen typischen Abstand von ca. 65 mm auf. Die Betrachterfenster sollten eine optimale Breite von jeweils 2 - 3 cm aufweisen, mit denen eine 3D Szene im SD- Darstellungsmodus in einem holographischen oder autostereoskopischen Display optimal wahrnehmbar ist.

Das in Fig. 1 b dargestellte erfindungsgemäße Display D weist mindestens eine ansteuerbare Lichtmodulationsvorrichtung und eine Steuereinrichtung auf, mit der ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator und mindestens eine steuerbare Beugungseinrichtung ansteuerbar sind. Die angegebenen Komponenten sind in der Figur nicht im Einzelnen dargestellt.

Die Beugungseinrichtung kann ein steuerbares Material, z.B. ausgerichtete steuerbare Flüssigkristall (LC) Moleküle, aufweisen, das mit Elektroden steuerbar ist. Das Ansteuern des Beugungsgitters soll bevorzugt mittels linearer, parallel nebeneinander angeordneter Elektroden, die eine Matrix bilden können, erfolgen. An jede Elektrode kann eine Spannung angelegt und somit ein Spannungsprofil erzeugt werden. Die LC Moleküle orientieren sich in Abhängigkeit von der Spannung und erzeugen somit ein Brechungsindexprofil. Durch die eingestellte Orientierung können die durch die Beugungseinrichtung durchtretenden Lichtbündel entsprechende Phasenänderungen aufweisen.

Aus der ermittelten Augenposition werden das Brechungsindexprofil und daraus die Spannung für jede Elektrode berechnet, die nötig sind, um die Lichtbündel entweder so abzulenken, dass das Betrachterfenster an der erfassten Augenposition erzeugbar ist. Weiterhin kann zusätzlich ein Phasenverlauf für eine Streufunktion so gesteuert werden, dass mit den Lichtbündeln die Größe des Betrachterfensters für diese erfasste Augenposition steuerbar anpassbar ist.

Dabei kann das steuerbare Material mit einer variierbaren Anzahl von Elektroden so angesteuert werden, dass die Streufunktion mit einem Phasenverlauf mit örtlich wechselbarer Frequenz mindestens eindimensional als Beugungsgitter einschreibbar ist. Die Größe des Betrachterfensters kann auch mit einem zweidimensional angesteuerten Beugungsgitter an lateral und/oder axial unterschiedlichen Augenpositionen erzeugt werden.

Mit den durchtretenden Lichtbündeln können entsprechend Fig. 1 b zwei Betrachterfenster SP1 " und SP2" im Abstand d2 vom Display D gemäß der Erfindung mit einer optimalen vorgegebenen Größe erzeugt werden, die nicht überlappen können. Das Wahrnehmen einer 3D-Szene im 3D Modus ist ohne störendes Übersprechen möglich, wobei unter dem 3D Modus der dreidimensionale Darstellungsmodus des Displays zu verstehen ist. Liegen von der darzustellenden Szene keine rechten und linken Stereobilder vor, oder kann nicht schnell genug für alle Betrachter ein vorgegebener 3D Modus von der Steuereinrichtung angesteuert werden, kann ein 2D Modus im Betrachterfenster durch veränderte Ansteuerung der Beugungseinrichtung realisiert werden. Dafür ist ein Beugungsgitter einzuschreiben, mit dem für durchtretende Lichtbündel ein Streuwinkel vorgebbar ist, mit dem ein beide Augen eines Betrachters überdeckendes Betrachterfenster erzeugbar ist.

So ist erfindungsgemäß durch Ändern einer in ein steuerbares Material eindimensional einzuschreibenden Streufunktion eine 3D/2D Umschaltung für mindestens einen Betrachter mit dem Betrachterfenster ausführbar. Ein Display kann in einer Ausbildung eine Lichtmodulationsvorrichtung aufweisen, bei der ein angesteuerter Streuwinkel für den 2D Modus für ein zweites ermitteltes Augenpaar ansteuerbar einschreibbar ist, während der 3D Modus für ein erstes ermitteltes Augenpaar erhalten bleiben soll. Stereoskopische oder holographische Bilder werden im Lichtmodulator sequentiell angezeigt und können gemeinsam für die Betrachterfenster, die für den ersten und den zweiten Betrachter durch Ansteuerung des Beugungsgitters unterschiedlich groß erzeugbar sind, genutzt werden.

Eine Linsenfunktion wird mit einem sphärischen Phasenverlauf als Beugungsgitter geschrieben, während eine Prismenfunktion mit einem linearen Phasenprofil als Beugungsgitter geschrieben wird. Eine Streufunktion kann gemäß der Erfindung mit Phasenwerten geschrieben werden, die durch zwei verschiedene Verfahren berechenbar sind.

In einem ersten Verfahren werden Zufallsphasenwerte zum Ansteuern der horizontalen Breite bzw. Größe des Betrachterfensters ermittelt bzw. berechnet. Die Streufunktion kann zusätzlich z. B. in eine Beugungseinrichtung geschrieben werden, in die schon eine Linsen- und/oder eine Prismenfunktion eingeschrieben sein kann. Für die Streufunktion wird eine Folge von Zufallsphasen ausgewählt, die Werte von 0 bis 2 π annehmen können und die zufällig aufeinander folgen. Es kann sich auch um eine Folge von Pseudo-Zufallsphasen handeln, bei der die Werte mittels einer Pseudo-Zufallszahlen-Funktion berechnet werden.

Die Größe, oder wenigstens die horizontale Breite, des Betrachterfensters kann durch die Frequenz der Zufallsphasenfolge bzw. mit der Zufallsphasenfolge steuerbare Phasenhübe eingestellt werden. Eine maximale horizontale Breite kann durch Ändern der Phase um einen zufälligen Wert von einer Elektrode zur nächsten benachbarten Elektrode gesteuert werden. Die Berechnung der horizontalen Breite kann auf einfache Weise folgendermaßen erfolgen:

Nach der Formel für die Lichtbeugung sin(0) = K/p für eine Wellenlänge λ = 532 nm und eine Periode p = 1 μι der Elektroden erhält man beispielsweise einen Streuwinkel von Θ = 32°. Aus dem Streuwinkel Θ ergibt sich die maximale Breite w des Betrachterfensters mittels w = tan(0) * d, wobei d der Abstand zwischen der Beugungseinrichtung, bzw. dem 3D Display in Fig. 1 b, und der Betrachterebene ist. In diesem Beispiel erhält man eine horizontale Breite w = 0.44 m für einen Abstand d = 0.7 m. Die Breite w wird vom Zentrum des Betrachterfensters bis zum Rand gemessen, an dem die Intensität auf Null abfällt. Dies gilt für einen Füllfaktor 1 der Beugungseinrichtung, d.h. die Beugungseinrichtung hat keine nicht-transparenten Bereiche.

Eine geringere horizontale Breite w kann beispielsweise erreicht werden, indem eine kleinere Frequenz der Zufallsphasenfolge bzw. mit der Zufallsphasenfolge steuerbare kleinere Phasenhübe einstellbar sind. Hierbei wird beispielsweise die Phase nicht zur nächsten, sondern erst zur übernächsten Elektrode um einen zufälligen Wert geändert. In diesem Beispiel würde sich mit den oben genannten Zahlen und p = 2 pm die Breite w des Betrachterfensters auf w = 0.19 m ungefähr halbieren. Die Phasenänderung kann auch so steuerbar sein, dass eine vorgebbare Anzahl von Elektroden, z. B. zwei oder mehr benachbart zueinander angeordnete Elektroden, mit der gleichen Zufallsphasenfolge steuerbar ist.

Für jede anzusteuernde Elektrode der Beugungseinrichtung werden die Phasenwerte der Linsen-, Prismen- und Streufunktion zu einem Gesamtwert addiert, wenn diese Funktionen gleichzeitig als ein Beugungsgitter angesteuert werden sollen. Wenn der Gesamtwert nicht im Wertebereich zwischen 0 und 2 π liegt, wird so oft 2 π addiert oder subtrahiert, bis der Gesamtwert im Wertebereich zwischen 0 und 2 π liegt. An die Elektrode wird solch eine Spannung angelegt, dass das Beugungsgitter an der entsprechenden Position die Phase um diesen Gesamtwert moduliert.

Ein für die Streufunktion angesteuerte Beugungsgitter weist Phasenhübe auf, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig von einem Abstand der erfassten Augenposition ansteuerbar eingeschrieben sind. Mit den Phasenhüben sind für durchtretende Lichtbündel Streuwinkel einstellbar, mit denen die Größe des Betrachterfensters mindestens horizontal bei Ansteuerung abhängig von einem Abstand der erfassten Augenposition zum Lichtmodulator änderbar ist. Weiterhin muss außerdem der mit dem Betrachterfenster darzustellende Modus der 3D Szene vorgegeben sein.

Die Steuerung der horizontalen Breite des Betrachterfensters ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2a zeigt beispielhaft die Phasenwerte φ als Funktion der x- Koordinate xLCG, die als Beugungsgitter eingeschrieben sind. Fig. 2b zeigt die Intensitätsverteilung I des Betrachterfensters als Funktion der x-Koordinate xOb in der Betrachterebene für eine Augenposition. Die Phasenwerte sind hochfrequent zwischen Null und 2 π berechnet, wobei ein breites Betrachterfenster steuerbar ist.

Fig. 3a und 3b zeigen im gleichen Maßstab wie in Fig. 2a den im Beugungsgitter eingeschriebenen Phasenwerteverlauf und die Intensitätsverteilung I des Betrachterfensters, wobei die Phasenwerte mit einem Frequenzspektrum mit kleineren Frequenzen zwischen Null und 2π berechenbar sind. Die Anzahl der Phasenhübe (Fig. 3a) für das Betrachterfenster in Fig. 3b ist kleiner als in Fig. 2a. Mit diesen Phasenhüben ist ein Betrachterfenster ansteuerbar, dessen Größe für eine neue Augenposition nur geringfügig änderbar ist. Durch die Wahl des Frequenzspektrums ist die Größe des Betrachterfensters in der Betrachterebene, bei vorgegebener Wellenlänge des Lichts, änderbar. Durch Wahl einer maximalen Frequenz und/oder eines Wertespektrums für die Zufallsphasen lassen sich die Phasenhübe, und damit die Streuwinkel für die Lichtbündel steuern. Mit Phasenhüben, die aus einem Phasenverlauf mit einem kleinen Wertespektrum und/oder einer niedrigen maximalen Frequenz resultieren, kann ein neu anzusteuerndes Betrachterfenster wertmäßig nur gering verändert, verbreitert oder verkleinert, werden. Damit sind die Zufallsphasen zum Ändern der Größe des Betrachterfensters an wechselnde Abstände zwischen dem Display und der Betrachterebene vorteilhaft anzuwenden.

Unter hochfrequenten Phasenhüben ist eine Folge von eingeschriebenen Phasenwerten zu verstehen, die örtlich begrenzt eine große Anzahl von wechselnden Phasenwerten aufweist (Fig. 2a). Bei niedrigfrequenten Phasenhüben ist die Anzahl wechselnder Phasenwerte für diesen örtlich begrenzten Bereich vergleichsweise geringer (Fig. 3a).

Fig. 4a und 4b zeigen eine alternative Darstellung für ein angesteuertes Beugungsgitter, mit dem die Breite des Betrachterfensters verringert werden kann. Anstatt die maximale Frequenz der Phasenwerte zu verringern, kann das Wertespektrum der Phasenwerte verringert werden. Der maximale Phasenwert ist in Fig. 4a z.B. π anstatt 2 π wie in Fig. 2a.

Diese Beispiele sollen das Verfahren der mathematischen Berechnung von Zufallszahlen, die von der optischen Wirkung her mit Zufallsphasenwerten als Beugungsgitter zur Steuerung der Größe oder horizontalen Breite des Betrachterfensters einschreibbar sind, verdeutlichen. Dieses Verfahren hat den Vorteil eines geringen Rechenaufwands, führt jedoch zu einer nicht scharf begrenzten Intensitätsverteilung des Betrachterfensters, die einer Gauss-Funktion ähnelt.

Die Berechnungszeit kann weiter verringert werden durch Auslesen der Phasenwerte aus z.B. Tabellen, in denen für Koordinaten von möglichen Positionen von Betrachteraugen entsprechende Phasenwerte als Steuerwerte gespeichert sind.

Die Phasenverläufe einer in die Beugungseinrichtung einzuschreibenden Streufunktion zum Steuern der Größe bzw. horizontalen Breite des Betrachterfensters können mit einem zweiten Verfahren unter Verwendung iterativer Fouriertransformationen ermittelt werden. Dieses Verfahren benötigt einen größeren Rechenaufwand als das erste Verfahren, jedoch ist ein Betrachterfenster erzeugbar, das eine vorgebbare Intensitätsverteilung mit genau definierten Grenzen für mindestens ein Betrachterauge aufweist. Die Streufunktion kann mittels Fouriertransformation für eine vorgebbare Intensitätsverteilung an mindestens einer Augenposition in der Betrachterebene berechnet werden. Da mit dem eingeschriebenen Beugungsgitter nur die Phase des einfallenden Lichts verändert werden kann, sollten nur reine Phasenwerte mit konstanter Amplitude berechnet und geschrieben werden. Die Berechnung dieser Phasenwerte mit der iterativen Fouriertransformation (IFT) erfordert bekanntermaßen, Fouriertransformationen und inverse Fouriertransformation zwischen der Ebene der Beugungseinrichtung und der Betrachterebene bis zum Erreichen eines Abbruchkriteriums durchzuführen.

Der Ablauf des iterativen Fouriertransformationsverfahrens ist in Fig. 5 schematisch dargestellt und wird nachfolgend kurz erläutert. Transformationen und Rücktransformationen von Matrixwerten, die in zwei Matrizen M1 und M2 vorliegen, werden mit vier Berechnungsschritten eines iterativen Berechnungsvorgangs ausgeführt. Die iterativen Berechnungsvorgänge werden mehrmals wiederholt, wobei die Matrizen M1 und M2 die gleiche Anzahl von komplexen Matrixwerten enthalten. Die Beträge der Matrixwerte von M1 sind die Quadratwurzel der Intensitätsverteilung in der Betrachterebene. Die Phasen der Matrixwerte der Matrix M2 sind die Phasenverteilungen im Beugungsgitter der Beugungseinrichtung. Die Berechnung der Matrizen M1 und M2 kann mit einer ein- oder zweidimensionalen Werteverteilung durchgeführt werden. Die Intensitätsverteilung in der Betrachterebene ist mit einer eindimensionalen Werteverteilung in einer Richtung steuerbar. Wenn zwei Beugungsgitter eindimensional (oder auch ein zweidimensionales Beugungsgitter) in die Ebene der Beugungseinrichtung gekreuzt, das heisst, mit einem 90° Winkel zueinander, ansteuerbar eingeschrieben sind, ist die Intensitätsverteilung der gestreuten Lichtbündel in der Betrachterebene in zwei laterale Richtungen steuerbar. In den Beträgen der komplexen Matrixwerte von M1 sind Amplitudenwerte am Beginn der Iteration enthalten, wobei die Quadratwurzel der Amplitudenwerte der in der Betrachterebene vorzugebenden Intensitätsverteilung entspricht und die Sollwerte von M1 darstellen. Die vorzugebende Intensitätsverteilung wird an den Abtastpunkten der Matrix M1 berechnet. Die Phasen der Matrixwerte von M1 werden auf beliebige Werte gesetzt. Die vier iterativ zu wiederholenden Berechnungsschritte enthalten im Einzelnen:

S1 : eine Fouriertransformation FT von Matrix M1 zu Matrix M2

S2: Setzen der Beträge der Matrixwerte von M2 auf den Wert 1 , die Phasen der

Matrixwerte von M2 werden unverändert gelassen

S3: eine Inverse Fouriertransformation FT von Matrix M2 zu Matrix M1

S4: Setzen der Beträge der Matrixwerte von M1 auf die Sollwerte, die Phasen der

Matrixelemente von M1 werden unverändert gelassen

Die vier Berechnungsschritte werden iterativ wiederholt, wobei die Beträge der Matrixwerte von M1 immer mehr den Sollwerten angenähert werden. Die Iteration wird abgebrochen, wenn die aktuellen Amplitudenwerte nur geringfügig von den Sollwerten abweichen, beispielsweise weniger als 10% vom Abbruchkriterium abweichen. Die nach Abbruch der Iteration vorliegenden Matrixwerte von M2 werden dann zur Ansteuerung der Elektroden verwendet, um einen Streuwinkel und somit ein Betrachterfenster von vorgegebener Größe bzw. horizontaler Breite in einem vorgegebenem Abstand erzeugen zu können.

Wenn die Betrachterebene nicht die Fourierebene des Beugungsgitters ist, wird anstelle der Fouriertransformation FT bzw. der inversen Fouriertransformation FT eine Fresneltransformation zur Berechnung verwendet. Die Transformationen unterscheiden sich in einem sphärischen Phasenverlauf bzw. in einem inversen sphärischen Phasenverlauf, der vom Abstand der Betrachterebene zur Fourierebene des Beugungsgitters abhängt. Mit dem IFT-Verfahren werden die Ansteuerwerte des Beugungsgitters berechnet, mit denen ein Betrachterfenster mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung erzeugbar ist. Insbesondere kann damit ein Betrachterfenster mit einer bevorzugten Breite von ca. 2 cm - 3 cm und einem vorteilhafterweise rechteckigen Intensitätsverlauf durch Ansteuerung von Gitterfunktionen erzeugt werden. Wird ein mit dem IFT-Verfahren berechnetes und den daraus resultierenden Phasenwerten erzeugtes Betrachterfenster an jedem Auge eines Betrachters positioniert, können die Augen mit verschiedenen Intensitätsverteilungen homogen beleuchtet und das Übersprechen von Licht bzw. Bildinhalten auf nicht erfasste Betrachteraugen verringert werden.

Das IFT-Verfahren kann im Display in Echtzeit verwendet werden. Die Matrixwerte der Matrix M2 sind für verschiedene Intensitätsverteilungen in der Betrachterebene des 3D Displays vorteilhafterweise im Voraus berechenbar und in einer Tabelle speicherbar, aus der sie dann bei Bedarf auslesbar sind.

Alternativ können zur Verbreiterung des Betrachterfensters Lichtquellen defokussiert „abgebildet" werden. Hierzu wird eine Linsenfunktion mit solch einer Brennweite in die Beugungseinrichtung ansteuerbar eingeschrieben, dass die Lichtquellen in inkohärenter Richtung in eine Ebene nahe der Betrachterebene abgebildet werden. Somit sind sie in der Betrachterebene unscharf wahrnehmbar, und die Größe des Betrachterfensters ist in der inkohärenten Richtung vergrößerbar.

Zusätzliche optische Streuelemente oder Umschaltelemente für eine 3D/2D Umschaltung können mit der Erfindung vorteilhaft vermieden werden.