VERFäHREN UND ANORDNUNG ZUR RäUMLICHEN DARSTELLUNG MIT HOLOGRAFISCHEM PROJEKTIONSSCHIRM

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlichen Darstellung einer Szene für einen oder mehrere Betrachter, bei dem mehrere Ansichten der Szene auf einen holographischen Projektionsschirm abgebildet werden, wobei jede der Ansichten in einer Abbildungsrichtung, die von den Abbildungsrichtungen für die anderen Ansichten verschieden ist, auf den holographischen Projektioπsschirm abgebildet wird, und auf den holographischen Projektionsschirm einfallendes Licht in Abhängigkeit von den Abbildungsrichtungen gebeugt wird, so daB ein Betrachter mit dem linken und rechten Auge jeweils verschiedene Mengen von Ansichten wahrnimmt und ein räumlicher Eindruck entsteht.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur räumlichen Darstellung einer Szene für einen oder mehrere Betrachter, welche einen holographischen Projektioπsschirm umfaßt, sowie eine Abbildungsoptik, mit der mehrere Ansichten der Szene auf den Projektioπsschirm abgebildet werden, wobei jede der Ansichten in einer Abbildungs- rjchtung, die von den Abbildungsrichtuπgen für die anderen Ansichten verschieden ist, auf den Projektionsschirm abgebildet wird, und wobei der Projektionsschirm einfallendes Licht in Abhängigkeit von den Abbildungsrichtungen beugt, so daß ein Betrachter mit dem linken und rechten Auge jeweils verschiedene Mengen von Ansichten wahrnimmt und ein räumlicher Eindruck entsteht.

Die Erfindung bezieht sich auf das Problem der räumlichen Darstellung mittels eines holographischen Projektionsschirms für eine Vielzahl von Betrachtern.

Autostereoskopische Darstellungsverfahren und -anordnungen auf der Basis holographischer Projektionssysteme sind im Stand der Technik seit längerem bekannt. So

ist beispielsweise in der US 4,799,739 ein holographischer Projektionsschirm offenbart, bei dem verschiedene Ansichten von verschiedenen, horizontal zueinander versetzt angeordneten Projektoren auf ein holographisches optisches Element (HOE) abgebildet werden Das HOE er2eugt in einem Betrachtungsraum für jede der Ansichten einen Beugungsstreifen. Bei entsprechender Anordnung der Projektoren grenzen diese Beugungsstreifen alle aneinander Die Breite der Streifen kann dabei so eingestellt werden, daß ein in einem vorgegebenen Betrachtungsabstand befindlicher Betrachter mit dem einen Auge eine andere Ansicht sieht als mit dem anderen Auge. Ein jeder der Beugungsstreifen taucht dabei genau einmal auf, wobei die Breite der ßeugungsstreifen von der Anzahl der verwendeten Projektoren sowie der Breite des Bildschirms, auf dem sie dargestellt werden sollen abhängt. Verwendet man nur wenige Projektoren, so wird der dreidimensionale Eindruck nur an wenigen Stellen im Betrachtungsraum entstehen Die Verwendung vieler Projektoren ist jedoch nicht zuletzt eine Kostenfrage.

In der WO 82/04327 wird eine Anordnung beschrieben, bei der Information aus einer Fokusebene mit einer Linse über ein HOE in die Pupille eines Betrachters abgebildet wird. Das HOE ist dabei so ausgestaltet, daß es das Licht aus jeder Position des HOE in die Pupille eines Betrachtes ablenkt. Je nach Einfallswinkel werden die eintreffenden Strahlen daher bezüglich ihrer Richtung unterschiedlich abgebeugt, wobei die unter einem größeren Einfallswinkel auftreffenden Strahlen stärker abgebeugt werden, so daß ein Betrachter sich möglichst unbeeinflußt von der nullten, ungebeugten Ordnung positionieren kann und noch ein helles Bild wahrnimmt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung unter Verwendung eines holographischen Projektionsschirms zu entwickeln, die es mehreren Betrachtern in einem möglichst großen Betrachtungsraum gleichzeitig erlauben, eine dreidimensionale Darstellung wahrzunehmen, wobei die darzustellenden Ansichten einer Szene mit möglichst großer Helligkeit und möglichst hoher Auflösung dargestellt werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß für jede Ansicht das gebeugte Licht in mehrere Beugungskorridore erster Ordnung mit jeweils mittleren Abstrahlrichtungen in Abhängigkeit von der Abbildungsrichtung abgestrahlt wird, und in einer zum Projektionsschirm parallelen Ebene in einem vorgegebenen Betrachtungsabstand Beugungsbilder in Form von im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Beuguπgsstreifen erzeugt werden, wobei zwischen

zwei einer Ansicht zugeordneten Beugungsstreifen je ein Beugungsstreifen einer jeden der anderen Ansichten erzeugt wird

Werden die Ansichten also durch einen Projektor auf den Projektionsschirm als reelles Bild abgebildet, so sieht ein Betrachter, obwohl das reelle Bild der Ansicht den ganzen Schirm einnimmt, diese Ansicht als virtuelles Bild nur in einem kleinen Streifen Diese Streifen wiederholen sich in einem Abstand, der von der Anzahl der zu projizierenden Ansichten abhangt Verwendet man n Ansichten, wobei n eine natürliche Zahl ist, so betragt der Abstand zwischen zwei Beugungsstreifen der ersten Ordnung für dieselbe Ansicht - gemessen von der Mitte des Streifens - das n-fache der Streifenbreite

Vom Schirm wird das gebeugte Licht dabei In mehrere Beugungskorridore erster Ordnung abgestrahlt Diese Begrenzungsflachen der Korridore verlaufen m der Regel dabei nicht parallel zueinander, sondern offnen steh unter mehr oder weniger schmalen Winkeln, wobei die öffnungswinkel insbesondere zu den Längsseiten der Beugungsstreifen vom Betrachtungsabstand abhangen Das Licht wird in einem Korridor also in Abhängigkeit von der Abbildungsπchtung in viele Richtungen, die in ihrer Gesamtheit den Beugungskorridor ergeben, abgestrahlt, wobei die mittlere Abstrahlrichtung die über alle Richtungen gemittelte Abstrahlπchtung ist

Die im wesentlichen parallel verlaufenden Streifen ergeben sich bei der Verwendung eines Projektionsschirms auf Beugungsgitterbasis aus der überlagerung vieler einzelner Beugungsstreifchen, die teilweise auch eine leichte Krümmung aufweisen können, die jedoch im Mittel für einen Betrachter nicht mehr oder kaum noch wahrnehmbar ist

Die Beugungsstreifen verlaufen bevorzugt in vertikaler Richtung im wesentlichen paral IeI zueinander, so daß ein stehender oder sitzender Betrachter den Kopf nicht zu drehen braucht, um einen dreidimensionalen Eindruck zu erhalten Bevorzugt betragt die Breite der Streifen - die natürlicherweise, weil die Beugungskorridore einen gewissen öffnungswinkel aufweisen, mit der Entfernung vom Projektionsschirm ansteigt - im vorgegebenen Betrachtungsabstand etwa 65 mm, das ist der mittlere Pupillenabstand eines Menschen Als Betrachtungsabstand für einen größeren Projektionsschirm, der mehreren Betrachtern eine gute Wahrnehmung ermöglicht, eignet sich beispielsweise ein Betrachtungsabstand von 2 bis 4 m Je nach Bedarf können die Betrachtungsab stände auch kleiner sein, z 8 für Einzelarbeitsplatze mit einem Computerbildschirrn oder auch großer, wie beispielsweise im Ktno

Die Streifen werden dabei üblicherweise nebeneinander abgebildet Da aber die Helligkeit in einem Steifen zu dessen Rändern hin abfallt, überlappen sich tπ einer bevorzug ten Variante die Streifen etwas um so einen Betrachter einen angenehmeren übergang zwischen zwei Ansichten bei einer horizontalen Bewegung zu ermöglichen

Für jede Ansicht schließt dabei die Abbildungsπchtung mit der Flachennormalen des Projektionsschirms in einer Strahlebene senkrecht zum Projektionsschirm und parallel zur Längsrichtung der Beugungsstreifen bevorzugt einen von Null verschiedenen Beu gungs- oder Projektionswiπkel φ ein Dies hat den Vorteil, daß die nullte ungebeugte und sehr helle Ordnung, bzw das reelle Bild vom Betrachter nicht störend wahrgenommer» wird. Unter Abbildungsπchtung ist dabei die Richtung zu verstehen, die der optischen Achse des Strahlenganges für eine abzubildende Ansicht entspricht, bzw der Achse, die die Mitte eines Projektionsobjektivs mit der Mitte des holographischen Projektionsschirms verbindet Die Abstrahlrichtungen, von denen es für jede Ansicht mehrere gibt, entsprechen dabei ebenfalls jeweils einer mittleren Richtung bzw einer optischen Achse, in der abgestrahlt wird Die Abstrahlrichtung muß dabei nicht in der Strahlebene liegen da diese auch senkrecht zum Projektionsschirm steht Sie weist jedoch jedenfalls eine Komponente in der Strahlebene auf Bevorzugt steht dabei die in der Strahlebene liegende Komponente der Abstrahlrichtung senkrecht zum Projektionsschirm Dies hat den Vorteil, daß ein Projektions schirm leichter ausgerichtet werden kann, weil er in einem Betrachtungsraum beispielsweise wie ein übliches Ruckpro- jektionsgerat aufgestellt werden kann Selbstverständlich sind auch andere Abstrahl πchtungen denkbar, bei denen die in der Strahlebene liegende Komponente leicht nach unten oder oben gekippt ist dies ist z B vorteilhaft, wenn der Projekttonsschirm ober halb oder unterhalb der mittleren Betrachtungshohe - z B der mittleren Große der Be trachter - angebracht ist

Abbildungsπchtung und Flachennormale des Projektionsschirms schließen in der Strahlebene bevorzugt einen Beugungswinkel φ zwischen 10' und 80', bevorzugt 37' ein Extremere Winkel sind unter Umstanden möglich Je kleiner der Beuguπgswinkel desto störender macht sich das reelle Bild der nullten ungebeugten Ordnung bemerk bar, je großer der Winkel, desto geringer wird die Helligkeit In der Praxis hat sich ein Winkel zwischen 20 ^' und 60', bevorzugt 37" als guter Kompromiß erwiesen Insbeson dere bei der Verwendung mehrerer Projektoren ist jedoch eine Beschrankung auf nur einen Winkel kaum möglich

Da es sich bei dem Projektionsschirm um ein Beugungsgitter handelt, ist die Schnittweite für die Streifen von der Wellenlange abhangig Für langwellige Strahlung ist der Abstand der Beugungsstreifen vom Projektionsschirm daher kürzer als für kurzwellige Strahlung Bevorzugt werden daher die Ansichten linear variierend zu Uberlagerungs- ansichten - die dann anstelle der ursprünglichen Ansichten dann die Uberlagerungsan- sichten abgebildet werden - überlagert, um so einen Farblangsfehler des Projektions schirms für einen vorgegebenen Betrachtungsabstand zu korrigieren In allen anderen Betrachtungsabstanden wird sich dieser Fehler jedoch weiterhin bemerkbar machen Befindet sich ein Betrachter beispielsweise m dem für die Wellenlänge Grün vorgegebenen, korrekten Betrachtungsabstand, so sieht er den grünen Anteil des Bildes über der gesamten Breite des Projektionsschirms Der blaue und der rote Anteil des dargestellten Bildes ist jewei/s nur in einer kleineren Breite zu sehen Für diese beiden Farben sieht der Betrachter daher ein Bild, welches aus mehreren Ansichten verschoben zusammengesetzt ist Durch die linear variierende überlagerung zu Uberlagerungsan- sichten. die letztendlich dargestellt werden, laßt sich der Farbfehler zumindest für einen Betrachtuπgsabstand korrigieren

Die Aufgabe wird bezüglich einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelost, daß der holographische Projektionsschirm mindestens ein Beugungsgitter der art aufweist, daE> für jede Ansicht das gebeugte Licht in mehrere Beugungskorridore erster Ordnung mit jeweils mittleren Abstrahlrichtungen in Abhängigkeit von der Ab- bildungsπchtung abgestrahlt wird, so daß in einer zum Projektionsschirm paralleler» Ebene in einem vorgegebenen Betrachtungsabstand Beugungsbilder in Form von im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Seυgungsstreifen erzeugt werden, wobei zwischen zwei einer Ansicht zugeordneten Beugungsstreifen je ein Beugungsstrei fen einer jeden der anderen Ansichten erzeugt werden

Werden die Ansichten also durch einen Projektor auf den Projektionsschirm als reelles Bild abgebildet, so sieht ein Betrachter, obwohl das reelle Bild der Ansicht den ganzen Schirm einnimmt, diese Ansicht als virtuelles Bild nur in einem kleinen Streifen Diese Streifen wiederholen sich in einem Abstand, der von der Anzahl der zu projizierenden Ansichten abhängt Verwendet man π Ansichten, wöbe» π eine natürliche Zahl ist so betragt der Abstand zwischen zwei Beugungsstreifen der ersten Ordnung für dieselbe Ansicht - gemessen von der Mitte des Streifens - das n fache der Streifenbreite

Vom Schirm wird das für die jeweilige Ansicht gebeugte Licht dabei in mehrere Beu- gungskorπdore erster Ordnung abgestrahlt Diese Begrenzungsflachen der Korridore verlaufen in der Regel dabei nicht parallel zueinander, sondern offnen sich unter mehr oder weniger schmalen Winkeln, wobei die Offnungswinkel insbesondere zu den Längsseiten der Beugungsstreifen vom Betrachtungsabstand abhangen Das Licht wird in einem Korridor also in Abhängigkeit von der Abbildungsnchtung In viele Richtungen, die in ihrer Gesamtheit den Beugungskorridor ergeben, abgestrahlt, wobei die mittlere Abstrahlrichtung die über alle Richtungen gemittelte Abstrahlrichtung ist

Die im wesentlichen parallel verlaufenden Streifen ergeben sich bei der Verwendung eines Projektionsschirms auf Beugungsgitterbasis aus der überlagerung vieler einzelner Beugungsstreifchen, die jeder teilweise auch eine leichte Krümmung aufweisen können, die jedoch in der überlagerung Im Mittel für einen Betrachter nicht mehr oder kaum noch wahrnehmbar ist

Mehrere Beugungsstreifen für eine Ansicht lassen sich dabei z B erzeugen, indem das Beugungsgitter im Projektionsschirm als überlagerung mehrere Gitter hintereinander ausgestaltet ist beispielsweise aus fünf oder sieben Gittern um in einem möglichst breiten Raum eine dreidimensionale Betrachtung zu ermöglichen Bei fünf Beugungs gittern beispielsweise werden nach links und rechts von der Flachennormalen des Schirms jeweils fünf Streifen erzeugt

Die Beugungsstreifen verlaufen bevorzugt in vertikaler Richtung im wesentlichen para) IeI zueinander, so daß ein stehender oder sitzender Betrachter den Kopf nicht zu drehen braucht, um einen dreidimensionalen Eindruck zu erhalten Die Beuguπgsstreifeπ bzw Beugungskorridore sind dabei relativ schmal auszufuhren Bevorzugt betragt die Breite der Streifen - die natürlicherweise, weil die Beugungskorridore einen gewissen öffnungswinkel aufweisen, mit der Entfernung vom Projektionsschirm ansteigt - im vorgegebenen Betrachtungsabstand etwa 65 mm, das ist der mittlere Pupillenabstand eines Menschen Als Betrachtungsabstand für einen größeren Projektionsschirm, der mehreren Betrachtern eine gute Wahrnehmung ermöglicht, eignet sich beispielsweise ein Betrachtungsabstand von 2 bis 4 m Je nach Bedarf können die Betrachtungsabstande auch kleiner sein, z B für Einzelarbeitsplatze mit einem Computerbildschirm, oder auch großer, wie beispielsweise im Kino Generell sind für kleinere Bildschirme von der Große eines Computerbildschirmes kleinere Betrachtungsabstande geeignet, für größere Bildschirme entsprechend größere Betrachtungsabstande

Bevorzugt schließen die Abbildungsπchtungen mit der Flachennormalen des Projektt onsschirms dabei in einer Strahlebene senkrecht zu diesem und parallel zur Längsrichtung der Beugungsstreifen einen von Null verschiedenen Beugungs oder Projektions Winkel φ ein Dies hat den Vorteii, daß die nullte, ungebeugte und sehr helle Ordnung, bzw das reelle Bild vom Betrachter nicht störend wahrgenommen wird Unter Abbil- dungsπchtung ist dabei die Richtung zu verstehen, die der optischen Achse des Strahlenganges für eine abzubildende Ansicht entspricht, bzw der Achse, die die Mitte ei nes Projektionsobjektivs mit der Mitte des holographischen Projektionsschirms verbindet Die Abstrahlrichtungen, von denen es für jede Ansicht mehrere gibt, entsprechen dabei ebenfalls jeweils einer mittleren Richtung bzw einer optischen Achse, in der ab gestrahlt wird Die Abstrahlπchtung muß dabei nicht /n der Strahlebene liegen, da diese auch senkrecht zum Projektionsschirm steht Sie weist jedoch jedenfalls eine Korn ponente in der Strahlebene auf

Das Beugungsgitter kann beispielsweise mittels photolithographischer Scaπnertechno- logie aus überlagerung bzw Ubereinanderschichtung einzelner Gitter erzeugt werden Indem es mehrere parallele Beugungsstreifen erster Ordnung erzeugt wird der dreidi mensionale Eindruck einer Vielzahl von Betrachtern zugänglich Der Abstand zwischen zwei Beugungsstreifen hangt dabei von der Anzahl der verwendeten Ansichten ab Werden n Ansichten dargestellt, so betragt der Abstand zwischen den Mittellinien zweier zur selben Ansicht gehörenden Beugungsstreifen genau n mal die Streifenbrei- te, die für alle Ansichten gleich ist In diesem Fall überlappen sich die Streifen nicht Denkbar ist jedoch auch, das Beugungsgitter so zu konstruieren, daß sich die Streifen am Rand leicht überlappen Da die Helligkeit der ßeugungsstreifen zu den Randern hin abnimmt, wird auf diese Weise ein angenehmerer übergang zwischen zwei Ansichten für einen Betrachter, der sich horizontal bewegt, ermöglicht

Die in der Strahlebene liegende Komponente der Abstrahlrichtung steht bevorzugt senkrecht zum Projektionsschirm So kann ein Betrachter auf natürliche Weise auf den Projektionsschirm blicken und erhalt bei einer Betrachtung beispielsweise direkt von vorne den besten Eindruck Dies hat auch den Vorteil, daß ein Projektionsschirm leichter ausgerichtet werden kann, weil er in einem Betrachtungsraum beispielsweise wie ein übliches Rυckprojektionsgerat aufgestellt werden kann Selbstverständlich sind auch andere Abstrahlrichtungen denkbar, bei denen die in der Strahlebene liegende Komponente leicht nach unten oder oben gekippt ist, dtes ist z B vorteilhaft, wenn der

Projektionsschirm oberhalb oder unterhalb der mittleren Betrachtungshohe - z B der mittleren Große der Betrachter - angebracht ist Abstrahlrichtung und Abbildungsrichtung bezeichnen dabei jeweils nur, wie oben schon eingeführt, mittlere Richtungen Bei der Abbildungsπchtung sollte die Komponente in der Strahlebene nicht senkrecht auf dem Projektionsschirm stehen um die nullte, ungebeugte Ordnung auszublenden Wahrend horizontale Abweichungen von der Normalen auf den Projektionsschirm möglich und auch in geringem Maße erforderlich sind, um verschiedene Abbildungsπch- tungen bei maximaler Helligkeit zu erzeugen, schließen Abbildungsπchtung und Flachennormale des Projektionsschirms in der Strahlebene einen Winkel bevorzugt zwischen 1 0 und 80 ^' , bevorzugt 37 ^" {oder äquivalent 1 43" je nach Betrachtungsweise) ein Auf diese Weise kann auch für relativ große Projektionsschirme die nullte Ordnung ausgeblendet und an eine möglichst lichtschluckende Decke projiziert werden, ohne daß sie einen störenden Eindruck auf den oder die Betrachter hatte Auch hier sind Abweichungen möglich und auch erforderlich, wenn z B eine Vielzahl von Projektoren verwendet wird Der mittlere Winkel sollte dann jedoch immer noch bei 37' liegen

Um einen Farblangsfehler eines Projektionsschirms für einen vorgegebenen Betrach tungsabstand zu korrigieren, sind die Ansichten in einer Ausfuhrung der Erfindung zu einander linear variierend überlagerten Oberlagerungsansichten zusammensetzen Diese Uberlagerungsaπsichten werden dann dargestellt

Zur Erzeugung der Ansichten oder überlagerungsansichten sind bei der Abbildungsop- tik zweckmäßig ein oder mehrere bilderzeugende Arrays mit einzeln ansteuerbaren optischen Elementen vorgesehen Bei den bilderzeugenden Arrays eignen sich bevorzugt DMDs oder FLCDs welche schnell geschaltet werden können Aber auch langsa mere Arrays wie LCOS sind verwendbar Die Ansichten werden jeweils der entlang ιh nen zugeordneten Abbildungsrichtung auf den Projektionsschirm abgebildet Dazu weist die Abbildungsoptik zweckmäßig eine höchstens der Anzahl der Ansichten entsprechende Anzahl von Projektionsobjektiven zur Vorgabe der Abbildungsπchtung auf Je ein bilderzeugendes Array und ein Projektionsobjektiv lassen sich zu einer Einheit, einem Projektor zusammenfassen Werden also beispielsweise acht Ans ichten dargestellt, so kann man acht Projektoren verwenden Die Projektoren oder Projektionsobjektive sind dabei horizontal und/oder vertikal versetzt zueinander angeordnet, um so die verschiedenen Abbildungsπchtungen vorzugeben

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Projektionsobjektive auf einer gedachten Kugelschale angeordnet, wobei der Radius der Kugel der Entfernung zum Mittelpunkt des Projektionsschirms bezüglich des Strahlengangs entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Bilder immer so auf den Projektioπsschirm abgebildet werden, daß auf diesen gleich große Bilder entstehen Auf diese Weise wird eine Korrektur der Hohendispaπtat überflüssig Auch die Korrektur einer unregelmäßigen Trapezverzerrung, die durch die Abbildung von Null verschiedenen Beugungswinkel hervorgerufen wird, wird erleichtert

Da der Projektionsschirm aufgrund semer Konstruktion als Beugungsgitter einen Farb- längsfehler aufweist, sind bei der Abbildungsoptik zweckmäßig Mittel zur optischen Korrektur dieses Farblangsfehlers vorgesehen. So lassen sich beispielsweise für jede Ansicht drei Projektoren verwenden, von denen jeder ein Bild der Ansicht in einer der drei Grundfarben R (Rot), C (Grün) und B (Blau) erzeugt und auf den Projektionsschirm abbildet Bei der eben beschriebenen Anordnung auf einer Kugelflache laßt sich der Farblangsfehler korrigieren, »ndem für jede der drei Grundfarben eine andere Kuget- schale entsprechend des Farblangsfehlers verwendet wird

Eine andere Möglichkeit besteht dann, Strahlteiler zur Aufteilung der Ansichten in Bilder aus den drei Grundfarben R, G und B vorzusehen, sowie Strahlvereiniger zur Strahlzusammenfuhrung der entsprechenden Bilder Zwischen Aufteilung und Zusammenfuhrung der Bilder sind dabei optische Wege mit unterschiedlichen Weglangen für die drei Grundfarben vorgesehen

Wieder eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Fresnellmse mit der Wirkungsweise einer Stablinse zwischen Abbildungsoptik und Projektionsschirm, möglichst nah am Projektionsschirm anzuordnen. Wenn die Brennweite der Fresnellmse dem Abstand zwischen Projektor und Projektionsschirm entspricht, wird das Licht von dem Projektor vor dem Projektionsschirm parallelisiert, die nach außen hin sonst stärkeren Winkel werden verkleinert Dies fuhrt auch zu einer Verminderung des Farbfehlers, der mit sinkenden Abstanden der Gitterlinien und steigenden Strahlwinkeln zum Rand hin wachst Außerdem kann die Fresnellmse das Objektiv in den Betrachterabstand abbilden, so daß der Projektionsschirm nur noch die Beugung in den Betrachterraum sowie die Erzeugung einer Streifenbreite übernimmt Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der dreidimensionale Eindruck nur in einem kleinen Bereich erzielt werden muß, wobei dieser Bereich auch flexibel sein kann

Auch wenn die Projektoren nicht auf einer Kugelschale angeordnet sind, kann jede der Ansichten aus einzelnen Bildern in jeweils einer der drei Grundfarben R (rot), C (grün) und B (blau) zusammengesetzt werden Für jede der Grundfarben kann für jede Ansicht jeweils ein eigenes Projektionsobjektiv vorgesehen sein, die Projektionsobjektive weisen in diesem Fall ebenfalls für die drei Grundfarben jeweils unterschiedliche Abstände zum Projektionsschirm auf.

Je großer der Projektionsschirm ist, desto weiter müssen grundsätzlich auch die Projektoren vom Projekt/onsschiππ entfernt sein, um ein entsprechend großes Bild auf den Schirm abzubilden Bevorzugt sind daher im Strahlengang zwischen Abbildungsoptik und Projektion sschirrn ein oder mehrere Spiegel angeordnet Dabei können aus abbil- dungstechmschen Gründen - z 6. zur Vergrößerung - auch gekrümmte Spiegel verwendet werden, bevorzugt sind diese Spiegel jedoch eben, so sind sie am billigsten in der Herstellung

Insbesondere dann, wenn die Spiegelflächen parallel zueinander in Form eines Lichtschachts angeordnet sind, laßt sich so die Bautiefe des Gerätes stark verkurzen, wobei natürlich darauf geachtet werden muß, daß die gesamte Weglange, die das Licht vom Projektor zurücklegt, mit und ohne Verwendung von Spiegeln identisch ist. Legt ein Lichtstrahl beispielsweise eine Entfernung von Projektor zum Projektionsschirm von 2 m ohne Spiegel zurück, so muß der Weg bei Verwendung von Spiegeln identisch sein Schon bei Verwendung eines Spiegels laßt sich die Bautiefe auf die Hälfte, namhch 1 m verkürzen. Für andere Lichtwege können die Spiegel selbstverständlich auch gekippt zueinander und zum Projektionsschirm angeordnet sein

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Projektionsschirm gegenüber der normalen Richtung einer Flache im Betrachtungsraum, auf der sich ein oder mehrere Betrachter aufhalten um einen Winkel δ gekippt angeordnet Dies ermöglicht mehreren, hintereinanderstehenden Personen einen Blick auf den Projektionsschirm einen dreidimensionalen Eindruck zu erhalten

Wahrend der Projektionsschirm in der Regel transmissiv arbeitet, ist er in einer bevorzugten Ausfuhrung der Erfindung reflexiv ausgestaltet Wenn dabei noch der ideale öerrachtungsabsiand von der vertikalen Position des Betrachters abhangig gemacht

wird so laßt sich ein solcher Projektionsschirm beispielsweise in einem Kino für eine Vielzahl von Betrachtern verwenden

Die Erfindung soll im folgenden anhand von Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert werden In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig J a eine Seitenansicht einer ersten grundlegenden Ausgestaltung der Erfindung,

Fig I b eine Draufsicht auf dieselbe Ausgestaltung,

Fig 2 eine Ausgestaltung, in der Spiegel zur Verkürzung der Bautiefe verwendet werden, Fig 3 eine Seitenansicht auf eine Ausgestaltung, in der mehrere Projektoren auf einer Kugelschale angeordnet sind Fig 4 eine Ausgestaltung der Erfindung in der der Bildschirm um einen Winkel δ gekippt ist,

Fig 5 eine Ausgestaltung mit einem reflexiven holographischen Projektionsschirm Fig 6 ein Beispiel für eine Variation des vorgegebenen Betrachtungsabstandes mit der Hohe, und Fig 7a, b die Zusammensetzung der Ansichten zu Uberlagerungsanstchten zur Korrek tur eines Farblangsfehlers des Projektionsschirms

In den Figuren Ia und I b ist die Funktionsweise des erfindungsgemaßen holographischen Projektionsschirms dargestellt Fig I a zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung aus einem Projektor 1 und einem holographischen Projektionsschirm 2, Fig I b 2eιgt eine Draufsicht auf dieselbe Anordnung Der Projektor 1 projiziert eine Ansicht bzw ein Bild der Ansicht als reelles Bild unter dem Beugungs- oder Projektionswinkel <p auf den holographischen Projektionsschirm 2 Der Beugungswinkel φ wird dabei in bezug auf die Abbildungsπchtung festgelegt, d h auf die Richtung der optischen Achse zum Mittelpunkt des Projektionsschirms 2 bzw die mittlere Richtung, aus der Licht vom Projektor 1 auf den holographischen Projektionsschirm 2 fallt Der Projektor ) befindet sich in einem Abstand d vom holographischen Projektionsschirm 2 Der Abstand d _p ist dabei so gewählt daß ein reelles Bild in ausreichender Crofee auf dem Projektions- schirm 2 erzeugt wird, wobei es zu trapezförmigen Verzerrungen des Bildes kommen kann, die sich aber korrigieren lassen

Pro _j ektor 1 und Projektionsschirm 2 weisen eine Hohendistanz u auf, die der Bedingung geschuldet ist, daß das Licht unter dem Beugungswinkel φ auf den Projektions-

schirm 2 treffen soll Der Projektionsschirm 2 hat eine Hohe h Typische Werte sind beispielsweise u = ) bis 2 m und h = 30 cm bis 1 50 m Kleinere und größere Werte sind je nach Ausgestaltung möglich

Da das Licht unter einem Winkel φ auf den Projektionsschirm 2 trifft tritt die nullte, ungebeugte Ordnung auch unter diesem Winkel wieder aus dem Projektionsschirm 2 , der im vorliegenden Beispiel transmissiv ausgestaltet ist, jedoch äquivalent auch reflexiv ausgestaltet sein kann Ein Betrachter 3, der sich in einem Betrachtungsabstand d _^ vom Projektionsschirm 2 aufhalt, sieht das reelle Bild der nullten Beugungsordnung somit nicht Dieses Bild wird beispielsweise an die Decke eines Raumes, in dem sich die Anordnung befindet, projiziert Um Störungen des Betrachters durch dieses Bild zu vermeiden, laßt sich die Decke beispielsweise lichtschluckend ausgestalten

In den Figuren I a und I b ist die nullte Beugungsordnung mit durchgezogenen Linien betrachterseitig gezeichnet Der Strahlverlauf der ersten Beugungsordnung ist durch strichpunktierte Linien dargesteift Im Gegensatz zur nullten Beugungsordnung wird die erste Beugungsordnung nahezu senkrecht vom Projektionsschirm 2 in Richtung des Betrachters 3 abgestrahlt Die Abstrahlrichtung, d h die Richtung, in der die erste Beugungsordnung im Mittel abgestrahlt wird, ist jeweils durch gestrichelte Linien in den schraffierten Bereichen gekennzeichnet Definiert man eine Strahlebene senkrecht zum Projektionsschirm und parallel zur Längsrichtung der Beugungsstreifen, die hier vertikal verlaufen, so steht im Beispiel die in der Strahlebene hegende Komponente der Abstrahlrichtung senkrecht zum Projektionsschirm 2 Selbstverständlich muß die ge nannte Komponente nicht zwingend senkrecht zum Projektionsschirm stehen, auch andere Richtungen sind - je nach Verwendung der Anordnung - möglich Beispielsweise kann sie leicht nach unten oder oben geneigt sein, wenn der Projektionsschirm oberhalb oder unterhalb von den Betrachtern angebracht ist - wie es insbesondere bei reflexiven Projektionsschirmen zur Verwendung im Kino angezeigt ist

Da, wie in der Draufsicht in Fig 1 b zu sehen, mehrere Beugungsstreifen erster Ordnung abgestrahlt werden gibt es auch für jede Ansicht mehrere Abstrahlrichtungen

Der Abstand zwischen zwei Beugungsstreifen bzw deren Mittellinien betragt im vorlie genden Beispiel n p ₍ n definiert dabei die Anzahl der Ansichten, die zusammenhaπ gend von insgesamt n Projektoren 1 auf den Projektionsschirm 2 projiziert werden Der übersichtlichkeit halber wurde hier auf eine Darstellung der übrigen Projektoren 1 ver

ziehtet P _j ist die m ittlere Pupillendistanz eines Menschen und betragt etwa 65 mm Die übrigen Projektore n sind dann mindestens horizontal zueinander so versetzt, daß i hre Beugungsstreifen den Zwischenraum zwischen den gezeigten Beugungsstreifen füllen Dabei wird von jedem Projektor genau ein Beugungsstreifen in den Zwischenraum projiziert, so daß für jede Ansicht im Zwischenraum genau ein Beugungsstreife n auftaucht Auf diese Weise wird einem Betrachter ein autostereoskopischer Eindruck vermittelt, da jedes Auge das Bild eines anderen Projektors sieht Da sich die Streifen wiederholen kann der autostereoskopische Eindruck einem großen Publikum angeboten werden, ohne die Anzahl der Projektoren übermäßig zu erhohen Im vorliegenden Beispiel überlappen die Beugungsstreifen einander nicht, sie weisen Im wesentlichen entsprechend einer Rechteckfunktion eine nahezu g leichförmige Helligkeit über die gesamte Breite auf, die am Rand steil abfallt Andere Helligkeitsmodulationen sind möglich, z B solche mit einer Helligkeitsverteilung über die Streifenbreite nach Art einer Gaußfunktion oder einer Trapezfunktion Hier nimmt die Helligkeit der Beu gungsstreifen zum Rande hm jeweils ab Dann kann der Projektionsschirm 2 auch so ausgeführt werden bzw können die Projektoren auch so angeordnet werden, daß sich die Beugungsstreifen erster Ordnung am Rand jeweils leicht überlappen Auf diese Weise wird für einen Betrachter, der sich horizontal bewegt, ein angenehmerer über gang zwischen den einzelnen Ansichten geschaffen Voraussetzung dafür ist jedoch, daß mehr als zwei Ansichten verwendet werden, da sonst der dreidimensionale Ein druck leidet Als Lichtquellen für den Projektor kommt überwiegend Weißlicht tn Frage, um ein möglichst vollfarbiges Bild zu erzeugen Denkbar sind jedoch auch monochro mansche Lichtquellen, je nach Einsatzgebiet

Um den räumlichen Eindruck für einen großen Personenkreis zugänglich zu machen, ist es erforderlich einen möglichst großen holographischen Projektionsschirm 2 zu verwenden Damit die Ansichten auf diesem mit ausreichender Große dargestellt wer den können, ist der Llchτweg zwischen Projektor 1 und Projektionsschirm 2 recht lang Bei einem Projektioπsschirm 2, der eine vertikale Ausdehnung von etwa 1 m hat, muß der Projektor beispielsweise in einer horizontalen Entfernung d von etwa 2 ,70 m aufgestellt werden Dies erfordert e/πe recht große Bautiefe, die die Anordnung schnell unhandlich werden laßt und für kleinere Vorführungsräume ungeeignet macht Vorteilhaft kann man daher, wie in Fig 2 gezeigt, Spiegel 4 vorsehen, die die Bautiefe verringern, jedoch die Lange des Lichtweges ebenso wie den Beugungswinkel im bezug auf d ie Abbildungsπchtung unangetastet lassen Dies ist in Fig 2 dargestellt Wahrend ohne Spiegel der Projektor 1 in einer Entfernung d^ aufgestellt ist und sein Licht entlang

der gestrichelten Linien auf den Projektionsschirm 2 wirft, kann bei der Verwendung von zwei Spiegeln 4 der horizontale Abstand eines Projektors 1 ' vom Projektionsschirm 2 auf ein Drittel verkürzt werden Je nach Anzahl der verwendeten Spiegel laßt sich die Bautiefe entsprechend um diese Anzahl der Reflexionen verkurzen Im in Fig 2 gezeigten Beispiel sind die Spiegel 4 darüber hinaus auch senkrecht stehend und parallel zu einander ausgerichtet, so daß das Bild in einem Lichtschacht auf den Projektionsschirm gelenkt wird Statt für einen Spiegel 4 eine große Spiegelfläche zu verwenden, lassen sich auch viele kleine Spiegelflächen, die in der Herstellung einfacher und billiger sind, verwenden Dies erfordert jedoch unter Umstanden einen etwas höheren Aufwand bei der Halterung und Justage

In Fig 3 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem die Projektoren 1 auf einer Kugelschale angeordnet sind In der Seitenansicht sind zwei Projektoren 1 dargestellt, die übereinander leicht versetzt zueinander angeordnet sind Senkrecht zur Bildebene können weitere Projektoren 1 angeordnet sein um die Anzahl der darzustellenden Ansichten zu erhöhen Dargestellt wird auch der Beugungswinkel φ für die optimale Abstrahlrichtung bei der Verwendung eines Projektors Die Abstrahlrichtung zielt auf den Mittelpunkt M des Projektionsschirms 2 , der sich in einem Abstand d _o horizontal von dem Punkt befindet, an dem ein Projektor idealerweise aufzustellen wäre Wenn z B der Winkel φ = 37" betragt, so kann der Winkel φ ₀ für den oberen Projektor beispielsweise 1 34 61 ' und der Winkel ψ _υ für den unteren Projektor 1 beispielsweise 39,47' betragen Durch die Anordnung der Projektoren auf einer Kugelschale wird gewährleistet, daß der Bild wurf immer so erfolgt, daß auf dem Projektionsschirm gleichgroße Bilder entstehen, was die Korrektur der Hohendispantat und der Seitendispaπtat überflüssig macht und wodurch die Korrektur der unregelmäßigen Trapezverzerrung erleichtert wird Der Ra dius der Kugel ist jeweils der Entfernung zum Mittelpunkt des Projektionsschirms gleich Die Projektoren sind hier relativ nah beieinander angeordnet, jedoch sind auch weiter voneinander entfernte Anordnungen möglich, in denen beispielsweise die Pro jektoren seitlich oder oben hangend angeordnet werden Schließlich laßt sich auch ein Farbfehler des holographischen Projektionsschirms 2 korrigieren, indem für jede An sieht Bilder in verschiedenen Farben erzeugt werden und von verschiedenen Projektoren 1 auf den Projektionsschirm 2 geworfen werden, wobei sich die Projektoren für die unterschiedlichen Farben auf Kugelschalen mit unterschiedlichen Radien befinden

In Fig 4 ist eine Anordnung gezeigt, in der der Projektionsschirm 2 gegenüber der Richtung der Normalen einer Flache 5 im Betrachtungsraum, auf der sich ein oder meh-

rere Betrachter 3 aufhalten, um einen Winkel δ gekippt angeordnet ist Bei einer solchen Anordnung müssen die Projektoren 1 zum Zweck der Einhaltung der Lange des Lichtweges und des Beugungswinkels φ relativ zum Projektionsschirm 2 nicht mehr direkt über dem Fußboden angeordnet werden, wenn sich der Projektionsschirm 2 in einer bestim mten Hohe u befindet Durch d ie Neigung können die Betrachter 3 , insbesondere auch kleinere Personen, wenigstens nahezu senkrecht auf den Projektions- schirm schauen Sie befinden sich mit ihren leicht angehobenen Gesichtern wieder im Abstrahlbereich der Beugungsbilder

In Fig 5 ist eine erfmdungsgema&e Anordnung dargestellt, in der statt eines holographischen, trans missiven Projektionssch irms 2 ein holographischer, reflexiver Pro- jektionsschirm 6 verwendet wird Das Reflexionshologramm erzeugt durch Projektion von n Ans ichten aus unterschiedlichen Raumrichtungen raumlich getrennte Ansichtenbereiche vom durchschnittlichen Augenabstand p _ύ eines Menschen in einem definierten Betrachterabstand d _m Selbstverständlich können auch h ier die Projektoren 1 anders angeordnet werden Die Beugungsbilder der Ans ichten liegen direkt ne beneinander und wiederholen sich nach πp _d In Fig 5 ist beispielhaft der Strahlengang für drei An sichten durch durchgezogene, gestrichelte und gepunktete Linien dargestellt Auch hier kann es vorteilhaft sein, wenn es zwischen den Ansichten zu leichten überlagerungen kommt Der Vorteil der Verwendung eines reflexiv arbeitenden Projektionsschi rms 6 gegenüber einem Transmissionsschirm ist die wesentlich geringere Bautiefe, da die Projektofen hinter den Betrachtern montiert werden können Das Reflexioπsho logram m kann somit direkt an die Wand gehangt werden Hier wie auch in den andern Fallen kann natürlich überall dieselbe Ansicht dargestellt werden, so daß dann beim Betrachter auch ein zweidimensionaler Eindruck entsteht

Sowohl beim Trans missions- als auch beim Reflexionshologramm kann der Betrachterabstand auf verschiedene Arten vertikal ausgerichtet werden Im einfachsten Fall breiten sich die Ansichten bzw ihre Beugungsbilder in vertikaler Richtung homogen mit großem öffnungswinkel aus Der Betrachterabstand d _# ist dann in vertikaler Richtung überall gleich Dies ist der Normalfall Denkbar ist aber auch, den transmissiven Projek- tionsschirm 2 oder den reflexiven Projektionsschirm 6 so zu konstruieren, daß für verschiedene Blickhoheπ h eines Betrachters 3 der Betrachtungsabstand d^ variiert Dies ist in Fig 6 am Beispiel eines reflexiven Projektionsschirms 6 dargestellt Durch Kippen der Objektebene oder Anpassung der Gitterstruktur des Reflektionshologramms wird die Bildebene gekippt Mit der Blickhohe h des Betrachters 3 steigt in einem Intervall δh

der ßetrachterabstand kontinuierlich linear mit einer Steigung m an, d = mh Der Anstieg m für die Hohen Abstandsbeziehungen laßt sich anhand des minimalen Abstandes d , und des maximalen Abstandes d zu m = (d - d )/δh berechnen Auch

Kombinationen eines variierenden und über gewisse Hohenbereiche konstanten Betrachterabstandes d _# sind selbstverständlich möglich

In den Figuren 7a und 7b ist schließlich gezeigt, wie Ansichten zu Uberlagerungsan- sichten zusammengesetzt werden, um einen Farblängsfehler des holographischen Pro- jektionsschirms zu korrigieren Aufgrund dieses Farblangsfehlers sieht ein Betrachter das Bild nur für die Wellenlangen fehlerfrei, in deren Betrachtungsabstand d (λ) er sich befindet Alle anderen Wellenlangen bilden Streifen innerhalb des Bildes, da sie einen anderen Betrachtungsabstand aufweisen Die Breite der Beuguπgsstreifen wird dabei vom tatsächlichen zum berechneten Betrachtungsabstand und der betrachteten Wellenlange bestimmt Befindet sich der Betrachter beispielsweise in einem Betrachtungsab- stand d _^ (λ = 532 nm), in dem die Streifenbreite 65 mm betragt, so berechnet sich die Streifenbreite b _λ auf den Projektionsschirm nach der Formel

λ _R bezeichnet dabei eine Referenzwellenlange, die als Grundlage für die Korrektur verwendet wird Für den Betrachterabstand d kann nun eine Färb- und Ansichtenkorrektur vorgenommen werden, die jedoch auf den Abstand beschrankt ist

Befindet sich der Betrachter in einem Abstand d _^ zum Projektionsschirm in dem die grüne Wellenlänge korrekt abgebildet wird, so sieht er den grünen Anteil einer Ansicht n korrekt und über die gesamte Breite des Projektionsschirms Der rote und der blaue Anteil des autostereoskoptschen Bildes ist für jeden Projektor jedoch nur in einem Bereich der Breite b _x zu sehen Ein Betrachter sieht daher für die rote und die blaue Wellenlange ein Bild, welches aus mehreren Ansichten verschoben zu der grün korrekt dargestellten Ansicht n zusammengesetzt ist Es kann zu Doppelbildern kommen Um dies zu vermeiden ist es notwendig, die Bilder furjeden Projektor neu zu erstellen und die Ansichten zu Uberlagerungsansichten zu überlagern Um die Falschansichteπ auszugleichen wird statt der Ansicht n eine Uberlagerungsansicht in einem Streifenbereich k aus den Ansichten n _k angezeigt Welche Ansichten überlagert werden sollen, berechnet sich nach der Formel

"* = «, - k (2) h\

k ist dabei eine Numerierung für die Streifenordnung auf dem Projektionsschirm und wird nach links negativ und nach rechts positiv gezahlt P„(\) und d^) sind dabei Pupiflenabstand und Betrachterabstand bei der Referenzwellenlange λ _o . Für einen möglichst weichen übergang zwischen den Ansichten ist es sinnvoll, einen linear steigenden und abnehmenden Intensitatsverlauf der einzelnen Ansichten in der Uberlage- rungsansicht zu generieren Um geeignete Referenzpunkte für die verschiedenen Verlaufe der Ansichten innerhalb einer Uberlagerungsansicht m _p darzustellen, werden in Abhängigkeit der örtlichen Zone k auf dem Projektionsschirm die Startpunkte S _k , Maximalpunkte P ₁ und Endpunkte E _k definiert-

p _k -A _{+ k} M ₍₄₎

* 2 b _{Et =} L _{+ (k + ])} M ( ₅ )

1 D

b ist dabei die Bildschirmbreite. bzw. die Breite des Bildes, in der der Betrachter für die grüne Wellenlange das Bild korrekt sieht Zwischen diesen Punkten wird die ortliche Intensität der einzelnen Ansichten für eine Farbe auf den Proj'ektionsschirm dabei nach den Formeln

für S _k < X ≤ P _k If = ~(X - S _k ) (6)

für P _t ≤ X < E _k I _k ^Fε = ~ (£* - X) ⁽ 7)

berechnet X ist dabei die Laufvaπable, I ₁ " ist der Intensitatsverlauf zwischen den Start ^¬ punkt S und dem Maximalpunkt P ₁ , l _k ⁿ beschreibt den Verlauf zwischen dem Maximal ^¬ wert P und dem Endwert E Ein Betrachter nimmt die Korrektur des Bildes nach den

Ansichtenverlaufen aus den Figuren 7a und 7b wahr In Fig 7a wird der Projektions- schirm aus der Mitte eines Beugungsstreifens beobachtet, in Fig 7b aus der Position eines übergangs zwischen zwei Ansichten Diese beiden Positionen beschreiben die Grenzen bei einer horizontalen Bewegung des Betrachters parallel zum Projektions schirm Da, wie in Fig 7b gezeigt, der übergang zwischen zwei Ansichten im Bereich hoher Intensitäten erfolgt, kann es zu Bildstörungen wie Streifenbildung kommen, was aber beispielsweise durch eine Dampfung korrigiert werden kann