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Die
Erfindung betrifft eine holographische Projektionsvorrichtung mit
einer Anordnung von Spiegelelementen. Die Erfindung betrifft ebenfalls
ein Verfahren zur Vergrößerung eines
Rekonstruktionsbereichs zur Beobachtung einer rekonstruierten dreidimensionalen
Szene, bei dem eine Beleuchtungseinrichtung mit wenigstens einer
Lichtquelle hinreichend kohärentes
Licht aussendet.
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Die
Holographie ermöglicht
die dreidimensionale Aufzeichnung und optische Wiedergabe von Objekten
mit wellenoptischen Verfahren. Die Rekonstruktion des holographischen
Bildes, oft Rekonstruktion genannt, erfolgt je nach Hologrammtyp
durch Beleuchten eines Trägermediums
mit kohärentem Licht.
Bei den bekannten holographischen Projektionseinrichtungen ist der
Rekonstruktionsbereich bzw. der Betrachterwinkel, insbesondere für eine Beobachtung
einer dreidimensionalen Szene, zu klein.
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In
der Regel erfolgt die Betrachtung der Rekonstruktion direkt, indem
ein Betrachter auf ein computer-generiertes Hologramm (CGH) schaut,
das aus regulär
angeordneten Pixeln besteht, die entsprechend von Hologrammwerten
zu kodieren sind. Die Rekonstruktion des CGH ist beugungsbedingt
nur innerhalb eines Periodizitätsintervalls
möglich,
das durch die Auflösung
der CGH gegeben ist. In sich anschließenden Periodizitätsintervallen
wird die Rekonstruktion meist mit Störungen wiederholt. Die Größe des darzustellenden
Bereichs ist somit durch die Auflösung begrenzt. Um den Betrachterwinkel
zumindest für
beidäugiges
Beobachten zu vergrößern, müsste die
Auflösung
des Hologramms beträchtlich erhöht werden.
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Ein
ausgedehnter Rekonstruktionsbereich bzw. ein großer Betrachterwinkel erfordert
daher bei der holographischen Rekonstruktion eines Objekts ein Hologramm
tragendes Medium, welches eine hohe Anzahl von möglichst kleinen Pixeln aufweist. Die
Pixel sollen dabei auch in ihren optischen Eigenschaften individuell
ansteuerbar sein.
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Derartig
kleine Pixelabstände,
die die Auflösung
beschreiben, erfordern aber einen großen Herstellungsaufwand.
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Als
Aufzeichnungsmedien für
CGHs dienen Lichtmodulatoren, wie beispielsweise LCD, LcoS, Akusto-optische
Modulatoren, OASLM, EASLM, welche die Phase und die Amplitude von
einfallendem Licht modulieren.
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Aus
der WO 2005/059659 A2 ist beispielsweise eine Einrichtung mit einem
Lichtmodulator zur Vergrößerung des
Betrachterwinkels für
holographische Displays bekannt. Eine Phasenmaske mit höherer Auflösung als
ein zur Darstellung eines Hologramms benutzter Lichtmodulator ist
in Lichtrichtung gleich nach dem Lichtmodulator angeordnet. Jedem Pixel
des Lichtmodulators sind vier oder mehr Elemente der Phasenmaske
zugeordnet. Die Phasenmaske erzeugt somit eine höhere virtuelle Auflösung und
dadurch einen vergrößerten Betrachterwinkel.
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Diese
Vorteile gehen jedoch auf Kosten von zusätzlichem verstärktem Rauschen,
da die Phasenmaske für
jedes Objekt gleich ist und eine zufällige Werteverteilung bei Erhöhung der
Auflösung
vorliegt.
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Des
Weiteren sind Lichtmodulatoren bekannt, welche Mikrospiegel zur
Lichtmodulation aufweisen. Derartige Lichtmodulatoren werden eingesetzt,
um die Amplitude und/oder die Phase des einfallenden Lichts zu modulieren.
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Das
Dokument
CA 2 190 329
C beschreibt einen Lichtmodulator zur Modulation der Amplitude und
der Phase von einfallendem Licht. Der Lichtmodulator weist Mikrospiegel
auf, wobei zwischen einer Grundplatte des Lichtmodulators und den
Mikrospiegeln jeweils ein Biegeelement angeordnet ist, welches beim
Vorliegen einer elektrostatischen Kraft die Mikrospiegel relativ
zu der Grundplatte kippt oder axial verschiebt. Für eine Amplitudenmodulation
wird der Mikrospiegel des Lichtmodulators gekippt. Bei Anlegen von
Spannung gleichzeitig an zwei Elektroden auf der Grundplatte verursacht
die elektrostatische Kraft eine axiale Bewegung des Mikrospiegels, wodurch
eine Phasenmodulation bewirkt wird.
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Mittels
des aus der
CA 2 190
329 C bekannten Lichtmodulators ist eine Vergrößerung des
Rekonstruktionsbereichs bzw. des Betrachterwinkels jedoch nur durch
Erhöhung
der Anzahl der Pixel und dadurch Erhöhung der Auflösung möglich. Außerdem ist
der Lichtmodulator der angegebenen Schrift für relativ große Spiegel
(> 50 μm) vorgesehen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur holographischen Darstellung dreidimensionaler Szenen mit einem möglichst
großen
Rekonstruktionsbereich bzw. Betrachterwinkel zu schaffen, ohne die
Anzahl der Pixel der Lichtmodulationseinrichtung gegenüber konventionellen
Einrichtungen zu erhöhen
und die Pixel dabei möglichst
einfach anzusteuern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass wenigstens eine Wellenfrontformeinrichtung sowohl eine Anordnung
von Spiegelelementen als auch Aktuatormittel zum Bewegen der Spiegelelemente
enthält,
wobei die Aktuatormittel abhängig von
einer zu rekonstruierenden Szene entsprechende Spiegelelemente in
wenigstens eine Richtung kippen beziehungsweise axial verschieben.
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Dadurch
rekonstruiert ein mechanisches Einstellmuster der Spiegelelemente
durch Reflexion einer eintreffenden Wellenfront direkt die Szene,
welche in wenigstens einem virtuellen Betrachterfenster einer Betrachterebene
ein optisches System Abgebildet wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
enthält wenigstens
eine Wellenfrontformeinrichtung, die Spiegelelemente zur Formung
einer einfallenden Wellenfront aufweist. Mittels derartiger geformter Wellenfronten
kann eine rekonstruierte Szene dargestellt werden. Diese Spiegelelemente,
welche in einer Vielzahl auf der Wellenfrontformeinrichtung vorhanden
sind, werden für
eine reine Phasenänderung gekippt
und/oder axial verschoben. Die Spiegelelemente können entweder nur gekippt oder
nur axial verschoben werden oder auch beide Bewegungen, Kippung
und axiale Verschiebung, zur Formung der Wellenfront durchführen. Somit
können
die Spiegelelemente je nach gewünschter
Wellenfront präzise eingestellt
und ausgerichtet werden. Zur Phasenänderung der einfallenden Wellenfront
werden die Spiegelelemente gekippt und axial verschoben. Das bedeutet,
dass bei Vornahme einer Phasenänderung des
Lichts nicht alle Spiegelelemente gekippt und axial verschoben werden
müssen.
Sondern es ist auch möglich,
je nach geforderter Wellenfront einige Spiegelelemente nur zu kippen
oder nur axial zu verschieben, wobei andere beide Bewegungen, Kippung
und axiale Verschiebung, durchführen.
Zur Darstellung der rekonstruierten Szene werden alle Spiegelelemente
angesteuert. Bei Phasenänderung
der einfallenden Wellenfront und Darstellung der rekonstruierten
Szene in einem bestimmten Bereich, dem so genannten Rekonstruktionsbereich,
werden die Spiegelelemente gleichzeitig oder sehr schnell nacheinander
gekippt und axial verschoben. Bei Änderung bzw. bei Darstellung
einer weiteren rekonstruierten Szene ändert sich die Ansteuerung
einiger oder aller Spiegelelemente der Wellenfrontformeinrichtung,
wodurch die Spiegelelemente eine andere Kippstellung und andere
Stellung der axialen Verschiebung einnehmen. Mittels wenigstens
einem Aktuator, wobei vorteilhafter Weise jeweils zwei Aktuatoren
einem Spiegelelement zugeordnet sind, können die Spiegelelemente derart
ausgerichtet werden, dass eine auf die Spiegelelemente auftreffende
ebene Wellenfront entsprechend einer vorgegebenen Funktion entsprechend
einem dreidimensionalen Objekt direkt geformt wird. Diese geformte
Wellenfront wird über
ein optisches System in ein Betrachterfenster einer Betrachterebene,
von welcher aus ein Betrachter die rekonstruierte, insbesondere
dreidimensionale, Szene beobachtet, abgebildet.
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Auf
diese Weise ist eine genauere Nachbildung der Phase der erforderlichen
Wellenfront im Gegensatz zu anderen bisher bekannten Lichtmodulatoren
(SLM) möglich,
die auf reiner Phasenmodulation basieren. Der Vorteil einer direkten
Formung der Wellenfront besteht hier darin, dass Rechenaufwand mittels
der schnellen Fourier-Transformation
(FFT) reduziert wird, wodurch eine Zeitersparnis bezüglich Echtzeitdarstellung
möglich
wird und ohne Erhöhung der
Anzahl der Pixel der Wellenfrontformeinrichtung, welche hier der
Anzahl der Spiegelelemente entspricht, und ohne komplizierte Ansteuerung
der Aktuatoren der Spiegelelemente eine holographische Projektionsvorrichtung
geschaffen wird, mit welcher durch die genauere Nachbildung der
Phase der Wellenfront die Auflösung
virtuell erhöht
und dadurch der Rekonstruktionsbereich bzw. der Betrachterwinkel vergrößert wird.
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Durch
eine Kombination von Kippung und axialer Verschiebung der Spiegelelemente
werden die normalerweise auftretenden periodischen Wiederholungen
beseitigt.
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Da
die Aktuatoren hier unterhalb der Spiegelelemente und somit die
Spiegelelemente sehr nah zueinander angeordnet werden können, lässt sich auf
diese Weise leichter ein hoher Füllfaktor
erzielen. Der Füllfaktor
ist das Verhältnis
von effektiv lichtempfindlichem Bereich der Spiegelfläche eines
Spiegelelements zur gesamten Fläche
der Wellenfrontformeinrichtung. Der Vorteil eines hohen Füllfaktors
der Spiegelelemente bei axialer Verschiebung dieser liegt darin,
dass dadurch bei Einsatz in einer holographischen Projektionsvorrichtung
periodische Wiederholungen deutlich unterdrückt werden. Bei Kippung und
axialer Verschiebung der Spiegelelemente treten jedoch keine periodische
Wiederholungen auf, wobei der Kontrast deutlich erhöht wird.
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Da
die Phasenmaske des oben erwähnten Standes
der Technik für
alle Objekte gleich ist und eine zufällige Werteverteilung bei der
Erhöhung
der Auflösung
vorliegt, tritt bei der Kodierung verschiedener Objekte unterschiedlich
starkes Rauschen auf. Da aber in der vorliegenden Erfindung keine
starre Phasenmaske verwendet wird, sondern für jedes Objekt die Ansteuerung
der Spiegelelemente angepasst wird, kann das Rauschen kontrolliert
und gezielt reduziert werden.
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Von
Vorteil ist, wenn die Spiegelelemente als Mikrospiegel in Form von
MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems)
ausgeführt
sind, da diese Spiegel sehr präzise
elektrisch justiert und sehr schnell bewegt werden können. Ebenso
sind sie sehr klein und die integrierte Ansteuerungselektronik der
Aktuatoren ist vorwiegend CMOS (complementary metal oxide semiconductor)
-kompatibel. Des Weiteren weisen die Mikrospiegel einen hohen Reflexionsgrad von ρ > ca. 90% auf gegenüber herkömmlich eingesetzten,
auf Flüssigkristall
basierenden Modulatoren mit einem Reflexionsgrad von höchstens
ca. 70%. Dadurch entsteht nahezu kein Lichtverlust.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Spiegelelemente der Wellenfrontformeinrichtung
eindimensional angeordnet, wobei zur Erzeugung einer Wellenfront
in einer Grundfläche
ein Ablenkelement enthalten ist, welches eine optische Ablenkung
in Richtung senkrecht zu der wenigstens einen Wellenfrontformeinrichtung
realisiert. Dazu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Ablenkelement,
vorteilhafter Weise einen Galvanometer-Scanner (Spiegelgalvanometer)
oder einen Polygonspiegel zur schnellen Ablenkung eines Lichtstrahls,
zwecks Erzeugung einer zweidimensionalen Wellenfront zur Darstellung
einer rekonstruierten dreidimensionalen Szene aufweisen. Die auf
diese Weise entstandene zweidimensionale Wellenfront ist aufgebaut
aus einer Folge von eindimensionalen Wellenfronten. Die eindimensionalen
Wellenfronten der Spalten oder Zeilen, je nachdem ob die eindimensionale
Wellenfrontformeinrichtung vertikal oder horizontal angeordnet ist,
werden dabei mittels des Ablenkelements aneinander gereiht. Die
Wellenfrontformeinrichtung ist dabei schnell genug, um die in der
jeweiligen Zeile oder Spalte erforderliche Wellenfront zu erzeugen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das
Ablenkelement zwischen einer Lichtquelle und der Wellenfrontformeinrichtung
angeordnet sein. Eine derartige Anordnung des Ablenkelements in
der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
ist dahingehend von Vorteil, da die auf die Wellenfrontformeinrichtung
auftreffende Wellenfront noch nicht kodiert ist und somit Fehler
bei der Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront weitestgehend
verhindert bzw. reduziert werden.
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Um
ein Betrachterfenster in einem großen Betrachterbereich verfügbar zu
machen, kann ein Positionserfassungssystem zum Bestimmen der Augenposition
eines Betrachter oder mehren Betrachter beim Beobachten der rekonstruierten
Szene enthalten sein.
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Das
Positionserfassungssystem erfasst die Augenpositionen beim Beobachten
der rekonstruierten Szene und passt die Kodierung der Szene in Abhängigkeit
von der Änderung
der Augenposition der Betrachter in horizontaler, vertikaler und/oder
axialer Position an. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um bei Änderung
der Augenposition die Lage und/oder den Inhalt der rekonstruierten
Szene mittels Kippung und/oder axialer Verschiebung der Spiegelelemente der
Wellenfrontformeinrichtung entsprechend zu aktualisieren. Daraufhin
kann das Betrachterfenster entsprechend der neuen Position der Augen
nachgeführt
werden.
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Zur
Nachführung
des Betrachterfensters entsprechend der Augenposition kann vorteilhafter
Weise wenigstens ein Ablenkmittel enthalten sein. Derartige Ablenkmittel
können
mechanische, elektrische, magnetische oder optische Elemente, wie
beispielsweise akusto-optische Elemente, sein.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird weiterhin durch ein Verfahren zur Vergrößerung eines Rekonstruktionsbereichs
zur Beobachtung einer rekonstruierten Szene gelöst, wobei das kohärente Licht der
Lichtquelle auf einem Bildschirm abgebildet wird, wobei Spiegelelemente
wenigstens einer Wellenfrontformeinrichtung zur Formung des auftreffenden Lichts
jeweils mittels Aktuatormittel gekippt und/oder axial verschoben
werden, wodurch eine von der Lichtquelle ausgehende Wellenfront
entsprechend der rekonstruierten Szene direkt geformt und in ein Betrachterfenster
einer Betrachterebene abgebildet wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zur Vergrößerung eines
Rekonstruktionsbereichs bzw. eines Betrachterwinkels Licht einer
Beleuchtungseinrichtung, welche hinreichend kohärentes Licht aussendet, auf
wenigstens eine Wellenfrontformeinrichtung gelenkt. Dabei wird das
Licht auf einem Bildschirm, vorteilhafter Weise einem Spiegel, abgebildet.
Spiegelelemente der Wellenfrontformeinrichtung formen dabei das
auftreffende Licht, indem sie mit Hilfe von wenigstens einem, insbesondere zwei,
ansteuerbaren Aktuatoren gekippt und/oder axial verschoben werden.
Auf diese Weise geben die Spiegelelemente die Form einer ebenen
Wellenfront nach ihrer Reflexion an einem Objekt wieder. Die Modulation
ist dann eine Approximation der idealen Wellenfront nach der Reflexion
am Objekt. Damit kann eine Annäherung
an eine gewünschte
Wellenfront erfolgen bzw. ist eine genauere Nachbildung der Phase der
Wellenfront als bei bekannten phasenmodulierenden Lichtmodulatoren
möglich.
Diese Wellenfront wird dann vorteilhafter Weise in ein Betrachterfenster einer
Betrachterebene abgebildet, durch welches ein Betrachter die rekonstruierte
Szene zwei- und/oder dreidimensional beobachten kann.
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Der
Vorteil des Verfahrens der direkten Formung der Wellenfront besteht
darin, dass eine Transformation der erforderlichen Wellenfront in
ein Hologramm entfällt
und somit der bisher notwendige Rechenaufwand reduziert wird. Durch
die Ansteuerung der Spiegelelemente mit jeweils zwei Aktuatoren lässt sich
eine Verschiebung der Spiegelelemente um > λ/2,
insbesondere um 2λ,
erzielen. Durch die größere Verschiebung
der Spiegelelemente lässt sich
somit die Auflösung
virtuell erhöhen
und eine höhere
Genauigkeit der Wellenfrontformung erzielen. Dadurch kann ein größerer Rekonstruktionsbereich bzw.
Betrachterwinkel erzeugt werden. Somit ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich,
eine rekonstruierte dreidimensionale Szene mit echter Tiefe in einem
großen
Rekonstruktionsbereich/Betrachterwinkel wenigstens einem Betrachter
darzustellen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen
sein, dass die rekonstruierte Szene durch Kippung der Spiegelelemente in
der nullten Beugungsordnung rekonstruiert wird. Dies ist besonders
vorteilhaft, da in der nullten Beugungsordnung die Helligkeit am
größten ist.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden
wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert. Dabei
wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Rekonstruktion
mit monochromatischem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung
ist jedoch auch für
farbige holographische Rekonstruktionen anwendbar, worauf in den
jeweiligen Ausführungsbeispielen
noch näher
eingegangen wird.
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Die
Figuren zeigen:
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1 eine
graphische Darstellung der Modulation einer Wellenfront mittels
eines bekannten phasenmodulierenden Lichtmodulators durch Aneinanderreihen
von Rechteckfunktionen;
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2 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer Wellenfrontformeinrichtung der erfindungsgemäßen holographischen
Projektionsvorrichtung, mittels welcher eine Wellenfront geformt
wird;
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3 eine
graphische Darstellung der Formung einer Wellenfront mittels der
in 2 dargestellten Wellenfrontformeinrichtung;
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4a eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen holographischen
Projektionsvorrichtung zur Rekonstruktion von dreidimensionalen
Szenen in der Draufsicht;
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4b einen
vergrößerten Ausschnitt
aus der in 4a dargestellten Projektionsvorrichtung;
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5 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
mit einem Positionserfassungssystem zur Bestimmung einer Änderung
einer Augenposition in der Draufsicht;
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6 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
für wenigstens
zwei Betrachter einer rekonstruierten Szene in der Draufsicht;
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7a eine
prinzipmäßige Darstellung
einer eindimensionalen Wellenfrontformeinrichtung;
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7b eine
prinzipmäßige Darstellung
einer zweidimensionalen Wellenfrontformeinrichtung;
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8 eine
Möglichkeit
zur Darstellung einer rekonstruierten Szene einem oder mehreren
Betrachtern; und
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9 eine
weitere Möglichkeit
zur Darstellung der rekonstruierten Szene einem oder mehreren Betrachtern.
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In 1 zeigt
eine modulierte Wellenfront eines bekannten phasenmodulierenden
Lichtmodulators, bei dem jedes Pixel nur eine bestimmte Phasendifferenz
von einer modulierten Welle zu einer Referenzwelle repräsentiert.
Eine mit dem Lichtmodulator modulierte Wellenfront kann dabei idealisiert
als Aneinanderreihung von Rechteckfunktionen in einem Koordinatensystem
dargestellt werden. Auf der Abszisse ist die Koordinate der Wellenfront
auf dem Lichtmodulator und auf der Ordinate die Phasendifferenz
modulo 2π aufgetragen.
Die Phasenmodulation erfolgt damit in einem Bereich von 0 bis 2π. Mit einem derartigen
Lichtmodulator lässt
sich aber nur eine Approximationsgenauigkeit entsprechend dem Abtastverfahren
der Wellenfront erzeugen. Für
eine Verbesserung der Approximationsgenauigkeit wäre eine Vergrößerung der
Auflösung
bzw. Anzahl der Pixel des Lichtmodulators nötig. Je höher die Approximationsgenauigkeit,
umso größer kann
der Rekonstruktionsbereich geschaffen werden.
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Um
eine genauere Nachbildung der Phase bzw. Approximation der Wellenfront
und eine Vergrößerung des
Rekonstruktionsbereichs bzw. des Betrachterwinkels zu erreichen,
nutzt die Erfindung eine holographische Projektionsvorrichtung
1,
welche zur Modulation einer Wellenfront W eine Wellenfrontformeinrichtung
2,
wie in
2 dargestellt, enthält. Zum leichteren Verständnis der
Phasenmodulation ist in
2 nur die Wellenfrontformeinrichtung
2 gezeigt,
wobei die holographische Projektionsvorrichtung
1 erst
4a als
Gesamtheit zeigt. Damit wird jedoch nur schematische die Modulation
bzw. Formung der Wellenfront W dargestellt, wobei die Spiegelelemente
der Wellenfrontformeinrichtung
2 eindimensional angeordnet
sind. Die Wellenfrontformeinrichtung
2, welche eine phasenmodulierende
Wellenfrontformeinrichtung
2 ist, weist Spiegelelemente
3 auf,
welche beispielsweise Mikrospiegel, insbesondere MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems), sind
und beispielsweise ebene Spiegeloberflächen aufweisen. Selbstverständlich können die
Spiegelelemente
3 auch anders ausgeführte Spiegeloberflächen aufweisen.
Die einzelnen Spiegelelemente
3 weisen jeweils wenigstens
einen Aktuator
4, hier zwei Aktuatoren
4, auf,
welche zwischen einem Substrat
5 der Wellenfrontformeinrichtung
2 und
den Spiegelelementen
3 angeordnet sind. Durch entsprechende Ansteuerung
der Aktuatoren
4 können
die Spiegelelemente
3 in gekippt und/oder axial verschoben
werden. Die Kippung und die axiale Verschiebung der Spiegelelemente
3 ist
in
2 deutlich erkennbar, wobei darauf geachtet werden
sollte, dass die Spiegelelemente
3 sehr nahe zueinander
angeordnet sind, damit ein möglichst
hoher Füllfaktor
der reflektierenden Oberflächen
der Spiegelelemente
3 erreicht wird. Die Spiegelelemente
3 besitzen
eine Größe von beispielsweise
ca. 49 μm
bei einem Pitch von ca. 50 μm,
wobei ihr Abstand zueinander nicht größer als ca. 1 μm sein sollte,
damit der hohe Füllfaktor, welcher
größer/gleich
98% sein sollte, bestehen bleibt. Die Wellenfrontformeinrichtung
2 weist
daher zur Modulation der Phase der Wellenfront W eine Vielzahl von
Spiegelelementen
3, beispielsweise 1 × 2000 Spiegelelemente bei
einer eindimensionalen Wellenfrontformeinrichtung oder 2000 × 2000 Spiegelelemente
3 bei
einer zweidimensionalen Wellenfrontformeinrichtung, auf. Die Spiegelelemente
3 sind bei
einer zweidimensionalen Wellenfrontformeinrichtung mehreren Richtungen
kippbar. Auf eine weitere, detailliertere Beschreibung der Spiegelelemente
3 und
deren Ansteuerung wird verzichtet, da dies bereits z.B. aus der
CA 2 190 329 C ,
bekannt ist.
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Die
Wellenfrontformeinrichtung 2 wird zur Phasenmodulation
der auftreffenden Wellenfront W mit Licht einer Lichtquelle 6 einer
nicht dargestellten Beleuchtungseinrichtung beleuchtet. Die von
der Lichtquelle 6 ausgehende Wellenfront W ist eine ebene
Wellenfront, wie unter 1. und 2. der 2 dargestellt
ist. Diese ebene Wellenfront W trifft, wie mit den Pfeilen angezeigt,
unter dem Punkt 3. auf die Spiegelelemente 3 der Wellenfrontformeinrichtung 2 und wird
entsprechend der Kippung und axialen Verschiebung der Spiegelelemente 3 entsprechend
einer vorgegebenen Funktion für
ein Objekt geformt und reflektiert. Unter Punkt 4. wird die geformte
Wellenfront W nach der Reflexion an den Spiegelelementen 3 gezeigt.
Die Spiegelelemente 3 erzeugen also die Form der ebenen
Wellenfront W, die zur Sichtbarmachung einer bestimmten dreidimensionalen
Szene erforderlich ist.
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In 3 ist
der Phasenverlauf einer mit den verschiebbaren und kippbaren Spiegelelementen 3 geformten
Wellenfront dargestellt. Kurvenstücke 3a, 3b, 3c, 3d und 3e entsprechen
der erforderlichen Stellung der Spiegelelemente 3. Dabei
ist es möglich, dass
durch den Verlauf der darzustellenden Phasenfunktion die Randpunkte
des entsprechenden Spiegelelements 3 eine Phasendifferenz
größer als
2π aufweisen,
wie z.B. das Kurvenstück 3b.
Durch die Kombination von Kippung und axialer Verschiebung der Spiegelelemente 3 ist
eine wesentlich genauere Annäherung
an eine gewünschte
Wellenfront als bei Wellenfrontformeinrichtungen gemäß 1 möglich. Dadurch
kann die Auflösung
virtuell erhöht
und somit der Rekonstruktionsbereich bzw. der Betrachterwinkel vergrößert werden.
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4a zeigt
ein Prinzip einer holographischen Projektionsvorrichtung 1 zur
Rekonstruktion von vorteilhaft dreidimensionalen Szenen in der Draufsicht.
Zum besseren Verständnis
ist die holographische Projektionsvorrichtung 1 in 4a und
in den nachfolgenden Figuren vereinfacht als transmissive Vorrichtung
dargestellt. Im nachfolgenden wird zunächst der Grundaufbau der holographischen
Projektionsvorrichtung 1 beschrieben. Wie im Ausführungsbeispiel
erkennbar, weist die Wellenfrontformeinrichtung 2 eine
eindimensionale Spiegelanordnung auf, welche hier vertikal angeordnet
ist. Die Wellenfrontformeinrichtung 2 wird von einer Beleuchtungseinrichtung 7 mit
einer Lichtquelle 8, welche hinreichend kohärentes Licht
aussendet und eine Linienlichtquelle darstellt, beleuchtet. Unter
hinreichend kohärentem
Licht wird hier Licht verstanden, welches interferenzfähig für die Darstellung
einer dreidimensionalen Szene ist. Als Lichtquelle 8 der Beleuchtungseinrichtung 7 können Laserdioden, DPSS-Laser
(Diode Pumped Solid-State-Laser)
oder auch andere Laser eingesetzt werden. Auch Lichtquellen mit
hinreichender Kohärenz
können
eingesetzt werden. Jedoch sollten derartige Lichtquellen gefiltert
werden, um einen erforderlichen Kohärenzgrad zu erreichen. Die
holographische Projektionsvorrichtung 1 enthält weiterhin
ein optisches System 9. Dieses optische System 9 weist
ein Abbildungsmittel 10 und einen Bildschirm 11 auf.
Selbstverständlich kann
das optische System 5 auch weitere optische Elemente aufweisen,
wie beispielsweise in den nachfolgenden Ausführungen ersichtlich und beschrieben.
Der Bildschirm 11 ist vorteilhaft als Spiegel, insbesondere
als Konkavspiegel, ausgeführt.
Selbstverständlich
kann der Bildschirm 11 auch ein anderes abbildendes optisches
Element, beispielsweise eine Linse, wie hier dargestellt, sein.
Ist der Bildschirm 11 ein Konkavspiegel, so besteht der
Vorteil, dass die Ausdehnung des optischen Aufbaus der holographischen
Projektionsvorrichtung 1 im Vergleich zu einer transmissiven
Vorrichtung mit ausschließlich
Linsen wesentlich reduziert wird. Der Bildschirm 11 sollte
jedoch keine streuende Oberfläche
aufweisen, damit eine von der Wellenfrontformeinrichtung 2 ausgehende
Wellenfront 12 nicht zerstört wird. Wenn eine zweidimensionale
Darstellung der rekonstruierten Szene gewünscht wird, so kann der Bildschirm 11 auch
eine streuende Oberfläche
aufweisen. Das Abbildungsmittel 10 ist ebenfalls als Spiegel
oder Linse ausgeführt.
Die von der Wellenfrontformeinrichtung 2 reflektierte und
geformte monochromatische Wellenfront 12 wird zur Rekonstruktion
einer dreidimensionalen Szene durch Linsenelemente 19 und 20 auf
ein Ablenkelement 13 abgebildet. Ein derartiges Ablenkelement 13 kann
ein Galvanometer-Scanner, ein Piezo-Scanner, ein Resonanz-Scanner,
ein Polygon-Scanner, eine Mikrospiegelanordnung oder eine ähnliche
Einrichtung sein. Das Ablenkelement 13 bewirkt eine optische
Ablenkung der Wellenfront 12 in Richtung senkrecht zu der
Wellenfrontformeinrichtung 2, um eine zweidimensionale
Wellenfront 14 zu erzeugen. Die zweidimensionale Wellenfront 14 wird durch
die Ablenkung aus einer Folge von parallel zueinander angeordneten
eindimensionalen Wellenfronten 14', 14'' und 14''' usw.
gebildet. Das optische System 9 bildet danach die geformte
zweidimensionale Wellenfront 14 in ein Betrachterfenster 15 einer Betrachterebene 16 ab,
in welcher sich ein Auge eines Betrachters zum Beobachten der rekonstruierten Szene
befindet. Das hinreichend kohärente
Licht der Lichtquelle 8 wird auf dem Bildschirm 11 abgebildet. Zwischen
den Linsenelementen 19 und 20 in der bildseitigen
Brennebene entsteht dabei eine Fourier-Transformierte FT der Wellenfront 12.
Das Abbildungsmittel 10 des optischen Systems 9 bildet
dann die Fourier-Transformierte FT in der bildseitigen Brennebene 17 auf
dem Bildschirm 11 ab. Die rekonstruierte Szene kann dann
von dem Betrachter in einem vergrößerten Rekonstruktionsbereich 18,
welcher sich kegelstumpfförmig
zwischen dem Betrachterfenster 15 und dem Bildschirm 11 aufspannt,
bzw. unter einem vergrößerten Betrachterwinkel δ betrachtet
werden. Durch das Vorhandensein eines hohen Füllfaktors der Spiegelelemente 3 der
Wellenfrontformeinrichtung 2 liegen keine periodischen Wiederholungen
der rekonstruierten Szene in der Betrachterebene 16 vor.
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Da
die Spiegelelemente 3 der Wellenfrontformeinrichtung 2 mittels
der Aktuatoren 4 kippbar sind, lässt sich die geformte Wellenfront 12 so
beeinflussen, dass die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene
in der nullten Beugungsordnung erfolgt. Dies ist besonders vorteilhaft,
da in der nullten Beugungsordnung die Helligkeit bzw. die Intensität des Lichts
am größten ist.
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Es
ist auch möglich,
das Ablenkelement 13 direkt in die Wellenfrontformeinrichtung 2 zu
integrieren. Dies bedeutet, dass die Wellenfrontformeinrichtung 2 die
ebene Wellenfront W, wie bereits oben beschrieben, mittels der Spiegelelemente 3 formt.
Zur Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront 14 wird
jedoch die Wellenfrontformeinrichtung 2 als ganzes System
bewegt. Die Linsenelemente 19 und 20 können in
diesem Fall entfallen. Die Wellenfrontformeinrichtung 2 ist
dann im Bereich des Ablenkelements 13, also in der objektseitigen
Brennebene des Abbildungsmittels 10 angeordnet. Ein Strahlteilerelement 21 zur
farbigen Rekonstruktion kann dann beispielsweise zwischen der Wellenfrontformeinrichtung 2 und
dem Abbildungsmittel 10 positioniert werden. Weiterhin
ist es auch möglich,
anstatt der Bewegung bzw. Kippung des ganzen Systems nur die Anordnung
aus den Spiegelelementen 3 als gesamte Einheit zur Erzeugung
der zweidimensionalen Wellenfront 14 zu bewegen. Auf diese
Weise kann die holographische Projektionsvorrichtung 1 im
Gesamtaufbau kompakter gestaltet werden.
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Zusätzlich können aber
dennoch im Strahlengang der holographischen Projektionsvorrichtung 1 die
Linsenelemente 19 und 20 angeordnet sein. Die Linsenelemente 19 und 20 weisen,
wie hier an den einzelnen Brennweiten erkennbar, zur Reduzierung von
Abbildungsfehlern gleiche Brechkraft auf. Jedoch können die
Linsenelemente 19 und 20 auch unterschiedliche
Brechkraft bzw. Brennweiten aufweisen, um die Größe der eindimensionalen Wellenfront 12 auf
dem Ablenkelement 13 zu verändern bzw. zu optimieren, wenn
dieses zwischen der Wellenfrontformeinrichtung 2 und dem
optischen System 9 angeordnet ist. Die Linsenelemente 19 und 20 weisen
einen weiteren Vorteil in diesem Fall auf. Sie sorgen dann dafür, dass
die von der Wellenfrontformeinrichtung 2 reflektierte geformte
Wellenfront 12 auf das Ablenkelement 13 zur Erzeugung
der zweidimensionalen Wellenfront 14 abgebildet wird. Zur
Abbildung der Wellenfront 12 auf das Ablenkelement 13 kann ein
afokales System, durch die Linsenelemente 19 und 20 dargestellt,
eingesetzt werden. In der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 19 entsteht dabei
die Fourier-Transformierte FT der Wellenfront 12. Mittels
des Linsenelementes 20 und des Abbildungsmittels 10 wird
die Fourier-Transformierte FT auf den Bildschirm 11 abgebildet.
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Das
Ablenkelement 13 kann aber auch zwischen der Lichtquelle 8 und
der Wellenfrontformeinrichtung 2 angeordnet sein. Dies
hat den Vorteil, dass dadurch Fehler bei der Formung der zweidimensionalen
Wellenfront 14 weitestgehend verhindert bzw. reduziert
werden, da die auf die Wellenfrontformeinrichtung 2 auftreffende
ebene Wellenfront W noch nicht kodiert ist.
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Eine
farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene ist mit der holographischen
Projektionsvorrichtung 1 ebenfalls möglich. Dafür ist in 4a das
Strahlteilerelement 21, insbesondere ein Prismenblock,
in Strahlrichtung vor dem Abbildungsmittel 10 vorgesehen.
Das Strahlteilerelement 21, welches hier vorteilhaft als
X-Prisma mit dichroitischen Schichten ausgeführt ist, splittet rotes, grünes und
blaues Licht in drei separate Wellenfronten auf bzw. fügt die separaten
Wellenfronten zu einer gemeinsamen Wellenfront zusammen. Die farbige
Rekonstruktion der Szene erfolgt dabei simultan in den drei Grundfarben
RGB (rot-grün-blau).
Das Strahlteilerelement 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel
zwischen den Linsenelementen 19 und 20 angeordnet, wobei
es selbstverständlich
auch an anderer Position in der holographischen Projektionsvorrichtung 1 angeordnet
sein kann. Ebenso kann auch ein anderes Strahlteilerelement vorgesehen
werden.
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In 4b ist
ein vergrößerter Ausschnitt
des Strahlteilerelementes 21 von 4a dargestellt.
Dabei werden zur simultanen farbigen Rekonstruktion der dreidimensionalen
Szene drei Wellenfrontformeinrichtungen 2R, 2G und 2B für jede der
drei Grundfarben RGB vorgesehen. Die drei Wellenfrontformeinrichtungen 2R, 2G und 2B werden
von drei Lichtquellen 8R, 8G und 8B beleuchtet.
Das Strahlteilerelement 21 führt nach der Formung von einzelnen
zugehörigen
Wellenfronten 12R, 12G und 12B an den Wellenfrontformeinrichtungen 2R, 2G und 2B diese zur
Weiterführung
auf das Linsenelement 20 zusammen. Es ist ebenfalls möglich, dass
nur eine Lichtquelle, insbesondere eine Weißlichtquelle, zur farbigen
Rekonstruktion eingesetzt wird. Dabei wird auch hier das Strahlteilerelement 21 zwischen
den Linsenelementen 19 und 20 angeordnet. Zwischen
dem Strahlteilerelement 21 und dem Linsenelement 20 ist jedoch
ein halbdurchlässiger
Spiegel oder ein anderes Ablenkelement angeordnet. Zur Beleuchtung
der drei Wellenfrontformeinrichtungen 2R, 2G, 2B und Formung
der Wellenfronten wird das Licht der Lichtquelle auf den halbdurchlässigen Spiegel
gelenkt und von dort mittels des Strahlteilerelements 21 auf die
drei Wellenfrontformeinrichtungen 2R, 2G, 2B geleitet,
wobei das Strahlteilerelement 21 das Licht in die drei
monochromatischen Wellenfronten 12R, 12G, 12B aufsplittet.
Ferner ist es auch möglich,
zur farbigen Rekonstruktion nicht drei, sondern nur eine einzige
Wellenfrontformeinrichtung vorzusehen, wobei diese Möglichkeit
nicht dargestellt ist. Diese Wellenfrontformeinrichtung kann mit
einer Lichtquelle, welche drei verschiedenfarbige Leuchtdioden (LED) oder
eine Weißlicht-LED
aufweist, beleuchtet werden. Zusätzlich
wird jedoch noch wenigstens ein optisches Element, beispielsweise
ein akusto-optisches Element benötigt,
welches zum Beispiel die Wellenfronten in einem unterschiedlichen
Einfallswinkel auf die Wellenfrontformeinrichtung sendet.
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Statt
der oben beschriebenen Farbdarstellung mit drei simultan arbeitenden
Wellenfrontformeinrichtungen 2R, 2G, 2B ist
auch eine sequentielle Farbdarstellung mit wenigstens einer Wellenfrontformeinrichtung
möglich.
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Die
oben beschriebene holographische Projektionsvorrichtung 1 wurde
nur für
ein Auge eines Betrachters beschrieben. Für ein Augenpaar des Betrachters
ist es sinnvoll, eine zweite Wellenfrontformeinrichtung 2 vorzusehen.
Die optischen Elemente der bestehenden holographischen Projektionsvorrichtung 1 können weiter
benutzt werden. Befindet sich der Betrachter nun in der Betrachterebene 16 und
blickt durch das Betrachterfenster 15, so kann er die rekonstruierte
dreidimensionale Szene im Rekonstruktionsbereich 18 beobachten,
wobei die rekonstruierte dreidimensionale Szene in Lichtrichtung
vor, auf oder hinter dem Bildschirm 11 entsteht. Es ist aber
auch möglich,
nur mit einer einzigen Wellenfrontformeinrichtung 2 einem
Augenpaar des Betrachters die rekonstruierte Szene darzustellen,
wobei die Wellenfrontformeinrichtung 2 horizontal angeordnet
ist.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
holographischen Projektionsvorrichtung 1. Der Aufbau entspricht
dabei grundsätzlich
dem der in 4a dargestellten Projektionsvorrichtung 1,
welche außerdem
ein Positionserfassungssystem 22 zur Bestimmung von Änderungen
einer Augenposition eines Betrachters in der Betrachterebene 16 aufweist.
Das Positionserfassungssystem 22 kann beispielsweise eine
Kamera sein. Zur Nachführung
des Betrachterfensters 15 bei der Änderung der Augenposition des
Betrachters ist ein Ablenkmittel 23 zwischen dem Abbildungsmittel 10 und
dem Bildschirm 11, insbesondere in der bildseitigen Brennebene
des Abbildungsmittels 10, angeordnet. Das Ablenkmittel 23 ist
individuell ansteuerbar und vorteilhaft als Spiegel ausgeführt. Zum
Nachführen
des Betrachterfensters 15 wird ein sehr präzise arbeitendes
Ablenkmittel benötigt.
Aus diesem Grunde kann das Ablenkmittel 23 beispielsweise
ein Galvanometer-Scanner sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere
Ablenkmittel, wie z.B. MEMS-Anordnungen,
Piezoscanner oder ähnliche,
zu verwenden. Ebenso kann das Ablenkmittel 23 in wenigstens
einer der Richtungen horizontal oder/oder vertikal ablenken. Das
heißt, dass
das Ablenkmittel 23 bei eindimensionaler Ausführung entweder
nur horizontal oder vertikal das Betrachterfenster 15 nachführt. Bei
einer zweidimensionalen Ausführung
des Ablenkmittels 23 kann das Betrachterfenster 15 in
beiden Richtungen, horizontal und vertikal, nachgeführt werden.
Dazu kann das Ablenkmittel 23 als xy-Galvanometer-Scanner
ausgeführt
sein, oder es ist auch möglich,
zwei hintereinander angeordnete Galvanometer-Scanner, einen für eine horizontale
und einen für
eine vertikale Nachführung,
einzusetzen. Es ist weiterhin ein dem Ablenkmittel 23 in
Lichtrichtung nachgeschaltetes zweites Abbildungsmittel 24 vorgesehen.
Da die Vergrößerung zur
Abbildung auf dem Bildschirm 11 sehr groß sein muss,
kann das zweite Abbildungsmittel 24 anstatt als Linse auch
als ein Linsensystem zur Reduzierung von Abbildungsfehlern ausgeführt sein.
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Im
nachfolgenden wird die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene
anhand dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die von der Lichtquelle 8 ausgesandte Wellenfront
W trifft zur Formung auf die Spiegelelemente 3, welche
die geformte Wellenfront 12 reflektieren. Nach der Reflexion
tritt die geformte Wellenfront 12 durch die Linsenelemente 19 und 20 und
wird von diesen auf das Ablenkelement 13 abgebildet. Gleichzeitig
entsteht mittels des Linsenelements 19 die Fourier-Transformierte
FT der Wellenfront 12 in der bildseitigen Brennebene des Linsenelements 19.
Nach der Bildung der zweidimensionalen geformten Wellenfront 14 trifft
diese nach Durchtritt durch das Abbildungsmittel 10 auf
das Ablenkmittel 23. Die Bewegung eines Betrachters kann
das Positionserfassungssystem 22 detektieren und zum Nachführen des
Betrachterfensters 15 das Ablenkmittel 23 nachsteuern.
Mittels der Abbildungsmittel 10 und 24 entsteht
dabei in einer bildseitigen Brennebene 25 des zweiten Abbildungsmittels 24 ein Bild
der geformten zweidimensionalen Wellenfront 14. Dieses
zweidimensionale Bild in der Brennebene 25 wird dann über den
Bildschirm 11 in das Betrachterfenster 15 abgebildet.
Gleichzeitig entsteht in einer bildseitigen Brennebene 26 des
Abbildungsmittels 10 die Abbildung der Fourier-Transformierten
FT. Das zweite Abbildungsmittel 24 bildet dann die Abbildung der
Fourier-Transformierten FT auf den Bildschirm 11 ab.
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Für einen
Betrachter ist es auch hier sinnvoll, eine zweite Wellenfrontformeinrichtung 2 vorzusehen.
Befindet sich der Betrachter nun in der Betrachterebene 16 und
blickt durch das Betrachterfenster 15, so kann er die rekonstruierte
dreidimensionale Szene im Rekonstruktionsbereich 18 beobachten, wobei
die rekonstruierte dreidimensionale Szene in Lichtrichtung vor,
auf oder hinter dem Bildschirm 11 entsteht. Es ist aber
auch hier möglich,
nur mit einer einzigen Wellenfrontformeinrichtung 2 einem
Augenpaar des Betrachters die rekonstruierte Szene darzustellen,
wobei die Wellenfrontformeinrichtung 2 wieder horizontal
angeordnet ist.
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Eine
farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend
den oben beschriebenen Beispielen mittels des Strahlteilerelementes 21 erfolgen.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 7 mit der Lichtquelle 8 kann
auch an einem beliebigen Ort in der Projektionsvorrichtung 1 angeordnet
werden. Wenn beispielsweise die Wellenfrontformeinrichtung 2 wie hier
reflektiv ausgeführt
ist, dann kann die Beleuchtungseinrichtung 7 auch derart
angeordnet sein, dass die ausgesandte Wellenfront W über ein
Ablenkelement, z.B. ein Umlenkspiegel oder ein halbdurchlässiger Spiegel,
zu der Wellenfrontformeinrichtung 2 geführt wird. Es ist vorteilhaft,
wenn die Lichtquelle 8 auf eine Fourierebene abgebildet
wird, wobei das Ablenkelement in der Fourierebene angeordnet ist.
Dabei kann zwischen dem Ablenkelement und der Wellenfrontformeinrichtung 2 wenigstens
ein optisches Element, wie Linse, Spiegel oder ähnliches, vorgesehen sein.
Ein derartiges Ablenkelement kann beispielsweise bezogen auf 5 am
Ort des Strahlteilerelements 21 angeordnet sein, wobei
das Strahlteilerelement 21 dann zwischen dem Linsenelement 19 und
dem Ablenkelement oder zwischen dem Ablenkelement und dem Linsenelement 20 vorgesehen
sein kann. Auf diese Weise kann die Projektionsvorrichtung 1 kompakter
im Aufbau gestaltet werden.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
holographischen Projektionsvorrichtung 1 dargestellt, die
im Aufbau grundsätzlichen
der 5 entspricht. Die Projektionsvorrichtung 1 ist
im Gegensatz zu den 4a und 5 für mehrere
Betrachter vorgesehen. Dazu sind in diesem Ausführungsbeispiel zur Vereinfachung
der Darstellung nur die Strahlengänge für zwei Betrachter und jeweils
nur eine eindimensionale Wellenfront pro Betrachter dargestellt.
Grundsätzlich
können
aber auch mehr als zwei Betrachter die rekonstruierte dreidimensionale Szene
beobachten. Das Betrachterfenster mit dem Endbuchstaben R steht
dabei für
das rechte Auge und die Betrachterfenster mit den Endbuchstaben
L für jeweils
das linke Auge eines Betrachters. Zur Darstellung der rekonstruierten
dreidimensionalen Szene sind hier zwei Wellenfrontformeinrichtungen 2 in der
holographischen Projektionsvorrichtung 1 enthalten. Diese
zwei Wellenfrontformeinrichtungen 2 werden von jeweils
einer Beleuchtungseinrichtung 7 mit wenigstens einer Lichtquelle 8 beleuchtet.
Die Lichtquellen 8 sind dabei unabhängig voneinander mit unterschiedlichen
Lichteinfallswinkeln. Die Anzahl der Lichtquellen 8 pro
Wellenfrontformeinrichtung 2 ist dabei abhängig von
der Anzahl der Betrachter der rekonstruierten Szene und wird durch
diese bestimmt. Für
zwei oder mehrere Betrachter wird eine einzige Wellenfrontformeinrichtung 2 für jeweils
das gleiche Betrachterfenster, das heißt jeweils für die rechten Augen
oder jeweils für
die linken Augen der Betrachter, genutzt. Die Lichtquellen 8 beleuchten
mit hinreichend kohärentem
Licht in jeweils unterschiedlichen Einfallswinkeln die Spiegelelemente 3 der
Wellenfrontformeinrichtung 2. Die Einfallswinkel des Lichts der
Lichtquellen 8 für
die Betrachterfenster 15R und 15L des Augenpaares
eines Betrachters sind dabei immer nahezu gleich. Das heißt, dass
der Einfallswinkel der Lichtquellen 8 zur Erzeugung von
geformten Wellenfronten 12L und 27L für die Betrachterfenster 15L und 28L verschieden
sind. Der Bildschirm 11, das Ablenkelement 13,
die Linsenelemente 19 und 20 sowie die Abbildungsmittel 10 und 24 können für beide
Wellenfrontformeinrichtungen 2 verwendet werden.
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Im
Unterschied zu 5 sind zur Nachführung von
wenigstens zwei, hier drei, Betrachterfenstern 15R, 15L und 28L entsprechend
der jeweiligen Augenposition der Betrachter zwei Ablenkmittel 23 vorgesehen.
Die Anzahl der Ablenkmittel 23 ist dabei von der Anzahl
der Betrachter abhängig.
Dies bedeutet, dass pro Betrachter nur ein Ablenkmittel 23 für beide
Augen, hier Betrachterfenster 15R und 15L, verwendet
wird.
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In
Strahlrichtung hinter den Ablenkmitteln 23 ist das zweite
Abbildungsmittel 24 in Verbindung mit einem Fokussierelement 30 angeordnet.
Das zweite Abbildungsmittel 24 ist hier als zur Kollimation
der Wellenfronten 14R und 14L dienendes Lentikular ausgeführt, wobei
beide Wellenfronten 14R und 14L für das linke
und rechte Auge durch ein dem Ablenkmittel 23 entsprechendes
Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 24 geführt werden.
Das Fokussierelement 30 dient nach Durchtritt der beiden
Wellenfronten 14R und 14L durch das entsprechende
Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 24 zur Überlappung und
Fokussierung der Wellenfronten 14R und 14L auf
dem Bildschirm 11. Ein weiteres Ablenkmittel 23 ist
zur Nachführung
des Betrachterfensters 28L für eine zweidimensionale Wellenfront 29L vorgesehen. Ein
drittes dargestelltes Ablenkmittel 23 dient zur Bedienung
eines dritten Betrachters, wobei auch mehr als drei Betrachter die
rekonstruierte Szene beobachten können. Die Anzahl der Lentikel
des zweiten Abbildungsmittels 24 entspricht dabei der Anzahl
der Ablenkmittel 23 in der Projektionsvorrichtung 1.
Zur Reduzierung von Abbildungsfehlern kann das Fokussierelement 30 durch
eine komplexere Anordnung von Linsen ersetzt werden. Beispielsweise
kann das Fokussierelement 30 als Achromat ausgebildet sein. Es
besteht auch die Möglichkeit,
das zweite Abbildungsmittel 24 und das Fokussierelement 30 beispielsweise
als einzelnes Lentikular in der Projektionsvorrichtung 1 vorzusehen.
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Die
rekonstruierte dreidimensionale Szene entsteht hier wie bereits
unter 5 beschrieben, außer dass in diesem Ausführungsbeispiel
die holographische Projektionsvorrichtung 1 für mehrere
Betrachter vorgesehen ist und deshalb die Nachführung der Betrachterfenster 15R, 15L und 28L über mehrere
Ablenkmittel 23 geschieht. Mit der hier dargestellten holographischen
Projektionsvorrichtung 1 wird ermöglicht, drei Betrachterfenster
gleichzeitig zu bedienen.
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Anstatt
Lichtquellen 8 zu nutzen, welche hinreichend kohärentes Licht
aussenden, das unter verschiedenen Einfallswinkeln jeweils auf die
Wellenfrontformeinrichtungen 2 trifft, ist es auch möglich, eine
einzige Lichtquelle 8 für
jede Wellenfrontformeinrichtung 2 vorzusehen. Die Vervielfältigung
der Wellenfronten geschieht dann nach der Formung und Reflexion
an den Spiegelelementen 3 der Wellenfrontformeinrichtung 2.
Dies kann beispielsweise im Bereich des Ablenkelements 13 mit
Hilfe eines Gitterelementes vorgenommen werden. Der Vorteil dieser Lösung besteht
darin, dass Phasendefekte von Wellenfronten der einzelnen Lichtquellen 8 auf
die Wellenfrontformeinrichtungen 2 korrigiert werden können.
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Die
Lichtquellen 8 können
auch durch eine hier nicht dargestellte primäre Lichtquelle mit Hilfe von
wenigstens einem optischen Element erzeugt werden.
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Bezüglich der 5 und 6 kann
das Ablenkmittel 23, welches als Spiegel, insbesondere
als Galvanometer-Scanner ausgebildet ist, mit einer lichtstreuenden
Schicht versehen sein. Das Ablenkmittel 23 kann somit als
Spiegel ausgeführt
sein, der in horizontaler Richtung streut. Die lichtstreuende Schicht
kann dabei z.B. als Folie ausgeführt
sein. Die Ausbreitung des gestreuten Lichts bzw. der gestreuten
Wellenfront muss senkrecht zur geformten eindimensionalen Wellenfront,
erfolgen. Da die Kohärenz bei
einer holographischen Rekonstruktion benötigt wird, darf diese nicht
durch Einbringung einer lichtstreuenden Schicht gestört werden.
Dadurch ist es jedoch möglich,
eine Aufweitung bzw. Vergrößerung der
Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L in
nicht-kohärenter
Richtung zu erreichen, wobei die Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L in
der anderen Richtung durch die Ausdehnung der Beugungsordnungen
begrenzt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wellenfrontformeinrichtung 2 horizontal
angeordnet ist. Auf diese Weise kann in vertikaler, nicht-kohärenter Richtung
eine Aufweitung der einzelnen Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L ermöglicht werden.
Deshalb ist es bei dieser Anordnung der Wellenfrontformeinrichtung 2 nicht
mehr notwendig, die Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L entsprechend
der vertikalen Position des Betrachters vertikal nachzuführen, da
die Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L in
dieser Richtung eine große
Ausdehnung aufweisen. Es besteht auch die Möglichkeit die lichtstreuende
Schicht auf dem Bildschirm 11 aufzubringen, welcher dann nicht
nur zur Abbildung und Darstellung dient, sondern auch die Fourier-Transformierte der
Wellenfront in nicht-kohärenter
Richtung streut.
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Die
Ausführungsbeispiele
der Erfindung gemäß den 4a, 5 und 6 beziehen
sich eine Wellenfrontformeinrichtung 2 mit eindimensional angeordneten
Spiegelelementen. Eine derartige eindimensionale Wellenfrontformeinrichtung 2 ist
in 7a in perspektivischer Ansicht dargestellt. Wie gezeigt,
sind die Spiegelelemente 3 in einer Art Zeile bzw. Spalte
auf dem Substrat 5 angeordnet. Die Aktuatormittel sind
hier nicht dargestellt.
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Die
Erfindung kann aber auch mit einer Wellenfrontformeinrichtung 2 realisiert
werden, bei der die Spiegelelemente zweidimensional angeordnet sind,
wie in 7b dargestellt. Dann ist ein
Ablenkelement, welches zur Erzeugung einer zweidimensionalen Wellenfront
dient, nicht mehr notwendig und die Spiegelelemente 3 sind
in mehreren Zeilen bzw. Spalten auf dem Substrat 5 angeordnet.
Die Aktuatoren können
die Spiegelelemente 3 in mehren Richtungen bewegen.
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Die 8 und 9 beschreiben
verschiedene Möglichkeiten
für das
zeitliche Multiplexing der Zeilen bzw. Spalten S der geformten Wellenfront 12 bei
der Realisierung von zweidimensionalen Wellenfronten eines Teilbildes
der rekonstruierten dreidimensionalen Szene für jeweils zwei oder mehrere Betrachter
B1 und B2 durch das Ablenkelement 13 im Zusammenspiel mit
der eindimensionalen Wellenfrontformeinrichtung 2. Gemäß 8 wird
die zweidimensionale Wellenfront eines Teilbildes erst für den Betrachter
B1 und dann für
den Betrachter B2 vollständig
aufgebaut. Gemäß 9 werden
die den einzelnen Betrachtern B1 und B2 zugehörigen Zeilen bzw. Spalten der
geformten Wellenfront eines Teilbildes abwechselnd nacheinander
dargestellt.
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Mögliche Einsatzgebiete
der holographischen Projektionsvorrichtung 1 sind Displays
für eine zwei-
und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich,
wie beispielsweise für Computer,
Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige
von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik, hier insbesondere
für die
minimal-invasive Chirurgie oder die räumliche Darstellung tomographisch
gewonnener Daten oder auch für
die Militärtechnik
beispielsweise zur Darstellung von Geländeprofilen.