[go: up one dir, main page]

WO2008107361A1 - Vorrichtung zur minimierung der beugungsbedingten dispersion in lichtmodulatoren - Google Patents

Vorrichtung zur minimierung der beugungsbedingten dispersion in lichtmodulatoren Download PDF

Info

Publication number
WO2008107361A1
WO2008107361A1 PCT/EP2008/052408 EP2008052408W WO2008107361A1 WO 2008107361 A1 WO2008107361 A1 WO 2008107361A1 EP 2008052408 W EP2008052408 W EP 2008052408W WO 2008107361 A1 WO2008107361 A1 WO 2008107361A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light modulator
prism
light
optical element
refractive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/052408
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Häussler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SeeReal Technologies SA
Original Assignee
SeeReal Technologies SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SeeReal Technologies SA filed Critical SeeReal Technologies SA
Priority to JP2009551207A priority Critical patent/JP2010520491A/ja
Priority to US12/529,557 priority patent/US20100165428A1/en
Publication of WO2008107361A1 publication Critical patent/WO2008107361A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2249—Holobject properties
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/12—Function characteristic spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2202—Reconstruction geometries or arrangements
    • G03H1/2205—Reconstruction geometries or arrangements using downstream optical component
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2294—Addressing the hologram to an active spatial light modulator
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G03H2001/0208—Individual components other than the hologram
    • G03H2001/0224—Active addressable light modulator, i.e. Spatial Light Modulator [SLM]
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2249—Holobject properties
    • G03H2001/2263—Multicoloured holobject
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2249—Holobject properties
    • G03H2001/2263—Multicoloured holobject
    • G03H2001/2271—RGB holobject
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/18—Prism
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2225/00—Active addressable light modulator
    • G03H2225/55—Having optical element registered to each pixel

Definitions

  • the invention relates to a device for minimizing diffraction-induced dispersion in light modulators for holographic reconstruction of colored representations, comprising a designed as a diffractive optical element, provided with controllable structures light modulator and at least one light source for illuminating the light modulator, wherein with respect to a predetermined higher diffraction order associated wavelength-dependent visibility areas relative to the surface normal of the light modulator lateral chromatic offset V with respect to the position of their extensions BF R , BF Gl BFB have on a fixed observer level.
  • the invention relates both to amplitude modulating and to phase modulating light modulators.
  • Light modulators (English, spatial light modulators), which are realized for example on the basis of liquid crystals, represent of visible light sou- or irradiable areal extended optical elements whose optical properties can be changed temporarily by applying an electric field.
  • the electric field can be adjusted separately in each case in small surface areas, so-called pixels, which results in the possibility of a pixel-wise setting of the optical transparency properties of the light modulator that is sufficiently fine for many holographic applications.
  • This possibility is used to change an incoming wavefront, for example when passing through the light modulator, in such a way that it equals the distance of a viewer from a wavefront emanating from a real object.
  • This holographic reconstruction of a spatial object is possible with appropriate control of the light modulator, without having to have the object at the time of viewing available.
  • Controllable electromechanical diffractive structures in the form of MEMS are also described, for example, as light modulators in US Pat. No. 6,922,273, the US Pat light modulating MEMS depending on the wavelength of the incident light to produce a different diffraction angle.
  • One problem with these structures, however, is that they only bend the light in one direction. Therefore, two-dimensional transmissive or reflective liquid modulators based on liquid crystals (LC) are currently the most widely used.
  • Liquid crystal based amplitude modulating light modulators are known in various designs and widely used in 2D displays. According to their use, they are already optimized for a large wavelength range and for a wide viewing angle range.
  • the wavelength dependence of the transmission of amplitude-modulating LC-based light modulators is compensated by hooves of a calibration at different wavelengths (red R, green G and blue B, hereinafter referred to only as R, G, B).
  • R, G, B red R, green G and blue B, hereinafter referred to only as R, G, B.
  • a different voltage must be applied to the respective liquid crystal cell for R, G and B.
  • the dependence of the transmission on the viewing angle is e.g. balanced in liquid crystal modulators by means of special compensation films, which are arranged in front of and / or behind the active liquid crystal layer.
  • DOE diffractive optical elements
  • ROE refractive optical elements
  • the aim is to make the observation of a large visual range of activity.
  • the viewer also perceives light that passes through the light modulator at an angle. Since also colored hologram reconstructions are to be generated, dispersive effects on light modulators by the associated offset of the individual color components in the reconstruction of colored Darstelfungen not from what may be very disturbing.
  • the angle and wavelength dependence of an amplitude-modulating light modulator based on LC is, as described above, already largely compensated or compensated in a known manner.
  • the diffractive dispersion so depending on the wavelength different degrees of deflection of a light beam when using the light modulator as a diffractive optical element, eg. B. in holography, but is extremely disturbing.
  • the diffractive dispersion of a light modulator is particularly troublesome if, for example, to encode a hologram, on an amplitude modulating light modulator, detour phase coding, e.g.
  • a Burckhardt coding is used, since the reconstruction does not take place in the zeroth order of diffraction, but in the first order of diffraction, and the light directed to the observer invariably leaves the light modulator obliquely. Due to the diffractive dispersion, the holo- graphic reconstructions are shifted against each other at different wavelengths.
  • a specific diffraction order for reconstruction results in a limited visibility area as a virtual window in the observer plane through which the viewer sees the holographic reconstruction of a representation, such as a 3D object, in the space between light modulator and observer plane.
  • the associated visibility range is as large as a diffraction order and is centered around the first diffraction order in the case of Burckhardt coding. If the visibility area is tracked to the viewer, it can be reduced to the size of an eye pupil in order to minimize the required resolution of the light modulator, which is technologically desirable.
  • a conventional device for generating reconstructions by means of a light modulator with respect to a visibility range in Fig. 1 shows the problem in a reconstruction of colored representations, eg 3D scenes, using a higher diffraction order, mainly the first diffraction order, on an amplitude modulating light modulator 1. Die Alignment of the light modulator 1 is specified in space by the surface normal 5.
  • the light modulator 1 may represent a holographic display, for reasons of clarity for illumination with a light source 15, only the different colored light sources 11 with LQ R - light with red wavelength -, 12 with LQ G - light with green wavelength -, 13 with LQ B - light with blue wavelength -, the light modulator 1 and the visibility areas 21, 22, 23 are drawn with the expansions BF R , BFQ, BF B.
  • the visibility range ⁇ 21, 22, 23 with BFR, BF G , BF B which are drawn one behind the other in succession in FIG. 1, are in reality at the same distance from the light modulator 1 in a viewer plane 24.
  • the associated wavelength-dependent visibility regions 21, 22, 23 with BFR, BFG, BF B have a different one Expansion and at the same time a lateral chromatic offset V on, which can be referred to as a diffractive chromatic error, on the other hand, the respective wavelength-dependent extension BF R , BF G , BF B is only slightly greater than the size of the pupil 28 of a viewer.
  • the problem is solved in that the different colored light sources LQ R , LQQ, LQ B are arranged at such a mutual distance from each other that the diffraction orders for the three colors after diffraction on the structures of the light modulator overlap at the same location , But this is not possible if the different colors emerge from the same light source, for example, in a white light source or the different colored light sources have a fixed distance from each other, such.
  • the RGB pixels when using a color display as a light source.
  • an apparatus for holographic reconstruction of three-dimensional representations comprising a system with focusing elements - a lens system - which guides coherent light from light sources to a viewer window. Between the focussing element system and the observer window, there is a light modulator coded with holographic information.
  • the device has a plurality of light sources for illuminating the Kodierization the Lichtmoduiators, each light source is associated with a focusing element.
  • the light sources emit coherent light in such a way that each of these light sources illuminates a predetermined coding field on the coding surface, wherein the focusing element and the light source are arranged such that the light emitted by the light sources is directed in unison to the viewer window.
  • One problem is that there is a great deal of tuning to adapt the system of focusing elements and their parameters with respect to the light sources and to the separate coding fields of the light modulator.
  • the invention is therefore based on the object to provide a device for minimizing the diffraction-induced dispersion in light modulators for holographic reconstruction of colored representations, which is designed so suitable that in the holographic reconstruction of colored 3D objects, the reconstruction quality regardless of the input and output direction of the Light is improved.
  • the coordination effort between the components involved to improve the quality of reconstruction should be reduced.
  • the apparatus for minimizing the diffraction-related dispersion in light modulators for holographic reconstruction of colored representations contains a designed as a diffractive optical element, provided with controllable structures light modulator and at least one light source for illuminating the light modulator, with respect to a predetermined higher diffraction order associated wavelength-dependent visibility ranges on the surface normal of With respect to the position of their dimensions BF.sub.RI BF G , BF 8 at a defined viewing plane, wherein, according to the characterizing part of claim 1, at least one refractive optical element is assigned to the light modulator whose refractive chromatic dispersion
  • the refractive optical element such an oppositely directed refractive chromatic dispersion
  • a single white-emitting light source with the three wavelengths red, green and blue located therein can be provided as the light source.
  • a light source unit with different colored light sources LQ R , LQG, LQB can be provided with the wavelengths blue, green, red, which are arranged either at one point or at different locations in a plane preferably perpendicular to the surface normal.
  • the extension BF ' eff of the common effective visibility region may correspond to the extension BF 6 of the blue wavelength visibility region.
  • the light modulator may have an optically active layer, preferably in the form of a plane birefringent layer containing liquid crystals whose refractive index ellipsoid is controllable by applying an electric field to the structures formed as pixels.
  • an optically active layer is an at least partially transmitting and / or reflecting layer, the optical volume properties of which depend on at least one externally adjustable physical parameter and which can be controlled in a targeted manner by varying the parameter.
  • the light modulator can have controllable electromechanical structures-MEMS-with diffractive optical properties, which form the light modulator into a diffractive optical element.
  • At least one preferably three-sided prism can be arranged, which consists of two interfaces and a flank surface wherein the two boundary surfaces form the legs for the prism angle ⁇ , which is opposite to the flank surface.
  • the associated prism angle ⁇ is inversely proportional to the distance p (pitch) of the centers of two adjacent pixels of the light modulator.
  • the refractive optical element may be a prism grid comprising a plurality of prisms or sectors of prisms in a periodic array.
  • the prisms of the prism grating may have a base length b of the interface adjacent to the light modulator, wherein the base length b may correspond to the pitch p of the pixels of the light modulator or an integer multiple thereof.
  • the prisms of the prism grid can each have an undercut flank surface.
  • the undercut flank surfaces may have a flank angle ⁇ between a plane parallel to the boundary surface and the flank surfaces of the prisms inclined by the undercut of the prisms equal to the angle of 90 ° indicating the direction of the surface normal minus the diffraction angle ⁇ in the given one Diffraction order is.
  • the invention is realized by a light modulator for holographic displays, which comprises at least one optically active layer whose refractive index ellipsoid can be controlled pixel by pixel, according to the invention thus at least one refractive compensation element is present, that of the diffractive dispersion, by the pixel-wise structure of the optically active layer is due, counteracts.
  • the refractive optical element is arranged, which counteracts the diffractive dispersion of the optically active layer of the light modulator.
  • the indicated prism or prism gratings are, for example, each such a refractive optical element.
  • the wavelength dependence during the reconstruction, in particular with an amplitude-modulating light modulator, can thus be compensated, for example by arranging a prism or a specified prism grid in the vicinity of the light modulator.
  • a prism is an asymmetric optical element.
  • the asymmetry can be used if the light modulator is used so that it is viewed obliquely and always with the same orientation. This is e.g. given when a predetermined higher diffraction order than the zeroth diffraction order for the holographic reconstruction of a colored representation is selected.
  • a predetermined higher diffraction order than the zeroth diffraction order for the holographic reconstruction of a colored representation is selected.
  • uncompensated dispersive effects are disrupted.
  • the dispersion of the refractive index and the prism angle ⁇ of the prism are designed to minimize the diffraction-related dispersion so that the dispersion of the prism and the dispersion of the optically active layer or the controllable electromechanical structures of the light modulator are equal in magnitude, but opposite. Practically, this can not be exactly realized in every case. However, the invention is already associated with a significant improvement in the quality of the optical reconstruction, if the refractive optical element is designed such that it at least 80% corrects and compensates for the diffractive dispersion of the light modulator or if the prism or the prism grid after calculation of the respective prism angle ⁇ are formed so that the remaining diffractive dispersion of the device is minimal.
  • the device according to the invention can basically be applied to amplitude-modulating and phase-modulating light modulators which are used for holographic purposes. see reconstruction of a colored representation in a non-zero diffraction order.
  • the compensation element In order to be able to use conventional light modulators, for example based on LC, and to improve them by means of a refractive optical compensation element, it is expedient to form the compensation element separately and to arrange it outside the optically active layer at as small a distance as possible from the optically active layer, since a through the Light modulator passing through the light beam, which comprises a plurality of color components LQ R , LQ G , LQ B leaves the optically active layer as a divergent beam.
  • the distance between individual beams of different color therefore increases with increasing distance of the refractive optical element from the optically active layer, which makes compensation of the diffraction-related divergence at a greater distance from the optically active layer more difficult.
  • the refractive optical element comprises a plurality of prisms or sectors of prisms in a periodic arrangement in the form of a prism grating, in order to save volume and weight in this way and occurring at large glass thicknesses parallaktische effects to reduce.
  • the refractive optical prism grating comprises a plurality of prisms or sectors of prisms whose base length b corresponds to the pitch p of the pixels of the light modulator or an integer multiple thereof, influences due to edge diffraction effects can be kept small.
  • flank surfaces of the prisms in the region of the greatest distance between the optically active boundary surfaces run approximately parallel to the light rays that pass through the prisms.
  • the size of not acting as a prism areas at oblique view of the light modulator is at least reduced.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a conventional device for
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device according to the invention for minimizing the diffraction-induced dispersion of light modulators for
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an LC-based diffractive light modulator and of a refractive prism as components of the device according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the prism according to FIG. 3, FIG. 4 a indicating a beam path through the prism and FIG. 4 b the corresponding refractive index (n) wavelength ( ⁇ ) character characteristic,
  • FIG. 5 shows a representation of a beam passing through a diffractive light modulator and of beams deflected by the downstream refractive prism depending on the wavelength
  • FIG. 6 is a simplified schematic representation of the device according to the invention, wherein
  • 6a shows a diffractive light modulator with a first refractive prismatic grating
  • Fig. 6b a diffractive light modulator with a second refractive
  • FIG. 2 schematically shows a device 20 according to the invention for minimizing the diffraction-related dispersion of pixel-coded light modulator 1 for reconstructing colored representations with oblique visualization, taking into account wavelength-dependent visibility regions associated with the first diffraction order of the reconstructed wavefront, wherein diffractive light modulator 1 differs optical element and the wavelength-associated visibility regions 21, 22, 23 with the expansions BF R , BFG, BF B according to the invention at least one refractive optical element 6 is arranged in the form of a prism for substantially compensating the chromatic dispersion of the light modulator 1.
  • the orientation of the light modulator 1 is given in space by the surface standard 5.
  • the light modulator 1 can represent a holographic display, with only one light source 15 having different light source color components: 11 with LQR light with red wavelength, 12 with LQ G light with green wavelength, 13 with LQ B light with for clarity blue wavelength -, the light modulator 1 and the visibility ranges 21, 22, 23 - 21 for red wavelength, 22 for green wavelength, 23 for blue wavelength - are given with the respective different expansions BF R , BF G , BF B.
  • the visibility regions 21, 22, 23 drawn in succession and at a distance from each other in FIG. 2 are actually at the same distance away from the light modulator 1 at the level of the observer plane 24.
  • the associated wavelength-dependent visibility regions 21, 22, 23 each have a respective chromatic aberration different expansion BF R , BF 0 , BF B , but by the arrangement of the diffraction of the light modulator 1 counteracting refractive prism 6 no lateral offset V on.
  • the extension BFW of the common effective visibility region 25 corresponds to the extension BF B of the blue wavelength visibility region 23.
  • the LC-based diffractive light modulator 1 is reduced in a simplified version in FIG. 3 to three pixels 2, 3, 4 which are each assigned to an optically active layer 15 and to electrodes 8 applied to the opposite, planar sides of the layer 15 , 9 can be controlled.
  • the electrodes 8, 9 are structured in such a way that a controllable electric field can be applied pixel by pixel by the modulation potential U + and the modulation potential U.
  • the optically active layer 15 contains birefringent material in the form of Liquid crystals 27, the orientation of which is illustrated by the formation of corresponding refractive index ellipsoids.
  • the orientation of the light modulator 1 can be indicated by a surface normal 5.
  • the refractive optical element in the form of a prism 6, which is designed so that the conventional diffractive dispersion of the light modulator 1 in the device 20 according to the invention is largely compensated by the combination with the refractive prism 6.
  • FIG. 4 shows the refractive prism 6 according to FIG. 3, wherein FIG. 4 a simplifies a beam path through the prism 6 and FIG. 4 b indicates the associated refractive index (n) wavelengths ( ⁇ ) characteristic of the prism 6 , This is the
  • the preferably three-sided prism 6 has, as already shown in Fig. 3, two interfaces
  • flank surface 7 wherein the two boundary surfaces 14, 14' form the legs for the prism angle ⁇ , which is opposite to the flank surface 7.
  • Fig. 4a it is shown that the prism 6 with the prism angle ⁇ between the two boundary surfaces 14,14 'one perpendicular to the interface 14, parallel to the
  • n is the refractive index of the prism 6.
  • the refractive index n depends on the wavelength ⁇ , as shown in FIG. 4b in the refractive index (n) wavelength ( ⁇ ) characteristic.
  • the deflection angle ⁇ also depends on the wavelength ⁇ .
  • the pitch p represents the distance of the respective adjacent pixels 2, 3 and 3, 4 of the light modulator 1 from the center thereof to the center.
  • Equation (II) When the refractive index n is linear in the predetermined wavelength range, dn / d ⁇ in Equation (II) is constant. Then, a complete compensation of the diffractive dispersion in the device 20 is obtained when the prism angle a is formed so large that the refractive dispersion d ⁇ / d ⁇ and the diffractive dispersion d ⁇ / d ⁇ have the same value in equation (VI):
  • the prism 6 is aligned with its interfaces 14, 14 'in relation to the light modulator 1 such that the refractive dispersion d ⁇ / d ⁇ of the prism 6 and the diffractive dispersion d ⁇ / d ⁇ of the light modulator 1 are directed in opposite directions.
  • the wavelength dependence of the refractive index will usually be linear only in a small wavelength range. However, over the visible wavelength range from about 400 nm to about 650 nm, a linear approximation is possible, so that dn / d ⁇ is approximately constant there. Although this does not result in complete compensation, however, it largely compensates for the diffractive dispersion.
  • the invention can also be applied to the use of higher diffraction orders than the described first diffraction orders. Due to the low brightness of higher diffraction orders, however, as a rule only the first diffraction order is used.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the device 30 according to the invention with a beam path which, in simplified terms, comprises the light modulator 1 and the prism 6.
  • the light modulator 1 is illuminated with sufficiently coherent light, wherein the light beam L passes through the light modulator 1. In this case, the light beam L strikes the light modulator 1 perpendicularly, the orientation of which in space is again indicated by its surface normal 5.
  • the light modulator 1 is amplitude modulating, and for coding a hologram, a Burckhardt coding representing a detour phase coding in which three pixels 2, 3, 4 of the light modulator 1 are used to provide a complex transparency value of the hologram encode.
  • the pitch of the pixels is p.
  • the reconstruction of the color representation e.g.
  • the first diffraction order has an angular width of ⁇ / 3p. Its center is at a diffraction order angle of ⁇ / 3p to the direction of the light beam L.
  • a light beam S R is at the center of the first diffraction order at a diffraction angle of
  • ⁇ e and AR are the wavelengths for blue and red light, respectively. It is
  • the exiting light beams P B and PR are deflected by a further deflection angle ⁇ B or ⁇ R relative to the direction of S B and S R, respectively.
  • ⁇ B and ⁇ R are given by the refraction angle at the prism 6 and in the approximation by small angles
  • n B and n R are the refractive indices for blue and red light, respectively. With a few exceptions, the refractive index of a material of increasing wavelength decreases. thats why
  • the prism 6 is arranged so that the dispersions of the light modulator 1 and the prism 6 are opposite and thus compensate each other.
  • the prism 6 can optionally cover the entire width of the light modulator 1.
  • prism 6 it is also possible to use an array of prisms-a refractive prism grating-of which each prism covers a region of the light modulator 1 that is sufficiently wide for coherent reconstruction.
  • Devices 40, 50 according to the invention with respective prism grids are shown in FIGS. 6, 6a and 6b.
  • FIG. 6 a shows a simplified version of the device 40 according to the invention comprising a light modulator 1 and a first prism grid 6 '.
  • the flank surface 7 is directed parallel to the surface normal 5 of the light modulator 1.
  • FIG. 6b shows the device 50 according to the invention with the light modulator 1 and a second prism grid 6 '' '
  • the difference from Fig. 6a lies in the formation of the flank surfaces 7' of the prisms, while the flank surfaces 7 of the prisms of the prism grid 6 'in Fig. 6a are oriented parallel to the surface normal 5 of the interface 14, the flank surfaces T of the prisms of the second prism grating 6 "in Fig. 6b in a flank angle ß to surface normals len 5.
  • the size of not acting as a prism areas in oblique view of the light modulator 1 significantly reduced.
  • the compensation of the wavelength dependence for transmissive diffractive light modulators can also be applied analogously to reflective diffractive light modulators and is not limited to the amplitude modulating liquid crystal modulators shown as an example. It is not limited to the prisms used as refractive dispersive compensation elements.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion in Lichtmodulatoren zur holografischen Rekonstruktion farbiger Darstellungen, enthaltend einen als diffraktives optisches Element ausgebildeten, mit steuerbaren Strukturen (2, 3, 4) versehenen Lichtmodulator (1 ) und mindestens eine Lichtquelle (15; 11, 12, 13) zur Beleuchtung des Lichtmodulators (1), wobei bezüglich einer vorgegebenen höheren Beugungsordnung zugehörige wellenlängenabhängige Sichtbarkeitsbereiche (21, 22, 23) einen auf die Flächennormale (5) des Lichtmodulators (1) bezogenen lateralen chromatischen Versatz (V) bezüglich der Lage ihrer Ausdehnungen (BF<SUB>R</SUB>, BF<SUB>G</SUB>, BF<SUB>B</SUB>) auf einer festgelegten Betrachterebene (24) aufweisen. Die Aufgabe besteht in einer Verbesserung der Rekonstruktionsqualität unabhängig von der Ein- und Ausfallrichtung des Lichtes. Die Lösung besteht darin, dass dem Lichtmodulator (1) mindestens ein refraktives optisches Element (6, 6', 6") zugeordnet ist, dessen refraktive chromatische Dispersion der diffraktiven chromatischen Dispersion des Lichtmodulators entgegenwirkt, so dass die Sichtbarkeitsbereiche für die verschiedenen Farben sich zentriert zu einem effektiven Sichtbarkeitsbereich überlagern.

Description

Vorrichtung zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion in Lichtmodulatoren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion in Lichtmodulatoren zur holografischen Rekonstruktion farbiger Darstellungen, enthaltend einen als diffraktives optisches Element ausgebildeten, mit steuerbaren Strukturen versehenen Lichtmodulator und mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Lichtmodulators, wobei bezüglich einer vorgegebenen höheren Beugungsordnung zugehörige wellenlängenabhängige Sichtbarkeitsbereiche einen auf die Flächennormale des Lichtmodulators bezogenen lateralen chromatischen Versatz V bezüglich der Lage ihrer Ausdehnungen BFR, BFGl BFB auf einer festgelegten Betrachterebene aufweisen. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf amplitudenmodulierende als auch auf phasenmodulierende Lichtmodulatoren.
Lichtmodulatoren (engl, spatial light modulators), die beispielsweise auf der Basis von Flüssigkristallen realisiert sind, stellen von sichtbarem Licht durch- oder bestrahlbare flächig erstreckte optische Elemente dar, deren optische Eigenschaften durch Anlegen eines elektrischen Feldes temporär verändert werden können. Das elektrische Feld kann jeweils in kleinen Flächenbereichen, sogenannten Pixeln, gesondert eingestellt werden, wodurch sich die Möglichkeit einer zwar pixelweisen, jedoch für viele holografische Anwendungen ausreichend feinen Einstellung der optischen Transparenzeigenschaften des Lichtmodufators ergibt. Diese Möglichkeit wird genutzt, um eine eingehende Wellenfront beispielsweise beim Durchgang durch den Lichtmodulator derart zu verändern, zu modulieren, dass sie im Abstand eines Betrachters einer Wellenfront gleicht, die von einem realen Objekt ausgeht. Dadurch wird bei entsprechender Ansteuerung des Lichtmodulators eine holografische Rekonstruktion eines räumlichen Objektes möglich, ohne das Objekt zum Zeitpunkt der Betrachtung zur Verfügung haben zu müssen.
Es sind auch steuerbare elektromechanische diffraktive Strukturen in Form von MEMS (engl, microelectrical mechanical structures) beispielsweise als Lichtmodulatoren in der Druckschrift US 6922273 beschrieben, wobei die lichtmodulierenden MEMS in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichts einen unterschiedlichen Beugungswinkel erzeugen. Ein Problem dieser Strukturen besteht aber darin, dass sie das Licht nur in einer Richtung beugen. Am weitesten verbreitet sind deshalb gegenwärtig zweidimensionale transmissive oder reflektive Lichtmodulatoren auf der Basis von Flüssigkristallen (engl, liquid crystal - LC).
Amplitudenmodulierende Lichtmodulatoren auf Flüssigkristall-Basis sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt und weit verbreitet zur Anwendung in 2D- Displays. Entsprechend ihrer Verwendung sind diese bereits für einen großen Wellenlängenbereich und für einen großen Betrachterwinkelbereich optimiert.
Die Wellenlängenabhängigkeit der Transmission amplitudenmodulierender Lichtmodulatoren auf LC-Basis wird mit Hufe einer Kalibration bei unterschiedlichen Wellenlängen (rot R, grün G und blau B, im Folgenden nur als R, G, B bezeichnet) kompensiert. Um eine gewünschte Intensität bei R, G oder B zu erhalten, muss für R, G und B eine unterschiedliche Spannung an die jeweilige Flüssigkristall-Zelle angelegt werden.
Die Abhängigkeit der Transmission vom Betrachterwinkel wird z.B. in Flüssigkristallmodulatoren mittels spezieller Kompensationsfolien ausgeglichen, die vor und/oder hinter der aktiven Flüssigkristall-Schicht angeordnet sind.
Es ist auch bekannt, dass es sowohl diffraktive optische Elemente (DOE) und auch refraktive optische Elemente (ROE) gibt, wobei sowohl bei diffraktiven optischen Elementen als auch bei refraktiven optischen Elementen jeweils eine chromatische Dispersion auftritt, d.h. der Beugungs- bzw. Brechungswinkel ändert sich mit der Wellenlänge des einfallenden Lichtes. Die diffraktive Dispersion ist dabei inhärent in der Struktur von diffraktiven optischen Elementen angelegt und tritt immer auf. Die refraktive Dispersion wird verursacht durch die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex des verwendeten Materials.
Bei der holografischen Visualisierung von 3D-Darstellungen, die z.B. in einem Lichtmodulator kodiert sind, wird angestrebt, die Betrachtung aus einem großen Sichtbar- keitsbereich zu ermöglichen. Dabei nimmt der Betrachter auch Licht wahr, das den Lichtmodulator schräg durchläuft. Da auch farbige Hologrammrekonstruktionen erzeugt werden sollen, bleiben dispersive Effekte an Lichtmodulatoren durch den damit verbundenen Versatz der einzelnen Farbkomponenten bei der Rekonstruktion farbiger Darstelfungen nicht aus, was sehr störend sein kann.
Die Winkel- und Wellenlängenabhängigkeit eines amplitudenmodulierenden Lichtmodulators auf LC-Basis ist, wie oben beschrieben, bereits weitgehend kompensiert bzw. in bekannter Weise kompensierbar. Die diffraktive Dispersion, also die von der Wellenlänge abhängige unterschiedlich starke Ablenkung eines Lichtstrahls bei der Verwendung des Lichtmodulators als diffraktives optisches Element, z. B. in der Holografie, ist jedoch extrem störend. Die diffraktive Dispersion eines Lichtmodulators ist dann besonders störend, wenn zur Kodierung eines Hologramms z.B. auf einem amplitudenmodulierenden Lichtmodulator eine Detour-Phasen- Kodierung, z.B. eine Burckhardt-Kodierung, angewendet wird, da dabei die Rekons- truktion nicht in der nullten Beugungsordnung, sondern in der ersten Beugungsordnung stattfindet und das dem Betrachter zugeleitete Licht den Lichtmodulator ausnahmslos schräg verlässt. Aufgrund der diffraktiven Dispersion sind die holo- grafischen Rekonstruktionen bei unterschiedlichen Wellenlängen gegeneinander verschoben.
Ein Problem tritt besonders dann auf, wenn der Beugungswinkel aufgrund eines relativ großen Pixelabstands, wie er bei kommerziell eingeführten Lichtmodulatoren üblich ist, klein ist und der Sichtbarkeitsbereich bei der holografischen Rekonstruktion auf eine Beugungsordnung des Hologramms beschränkt wird, wie es z.B. in der Druckschrift WO 2004044659 beschrieben ist. Bei Nutzung einer bestimmten Beugungsordnung zur Rekonstruktion ergibt sich ein begrenzter Sichtbarkeitsbereich als ein virtuelles Fenster in der Betrachterebene, durch welches der Betrachter die holografische Rekonstruktion einer Darstellung, z.B. eines 3D-Objektes, im Raum zwischen Lichtmodulator und Betrachterebene sieht. Das gewinnt dadurch besondere Bedeutung, dass eine visuelle Wahrnehmung durch einen Betrachter stets nur am Ort seiner Augen möglich ist, wodurch die holografische Rekonstruktion der Wellenfront des Objektes zumindest an diesem Ort den Erwartungen des Betrachters genügen muss. Der zugehörige Sichtbarkeitsbereich ist so groß wie eine Beugungsordnung und ist im Fall der Burckhardt-Kodierung um die erste Beugungsordnung zentriert. Wenn der Sichtbarkeitsbereich dem Betrachter nachgeführt wird, kann er auf die Größe einer Augenpupille reduziert werden, um die erforderliche Auflösung des Lichtmodulators auf ein Minimum zu reduzieren, was technologisch erstrebenswert ist.
Eine herkömmliche Vorrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen mittels eines Lichtmodulators bezogen auf einen Sichtbarkeitsbereich zeigt in Fig. 1 das Problem bei einer Rekonstruktion farbiger Darstellungen, z.B. 3D-Szenen, unter Nutzung einer höheren Beugungsordnung, vorwiegend der ersten Beugungsordnung, an einem amplitudenmodulierenden Lichtmodulator 1. Die Ausrichtung des Lichtmodulators 1 ist im Raum durch die Flächennormale 5 vorgegeben. Der Lichtmodulator 1 kann ein holografisches Display darstellen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit für eine Beleuchtung mit einer Lichtquelle 15 nur die verschiedenfarbigen Lichtquellen 11 mit LQR - Licht mit roter Wellenlänge -, 12 mit LQG - Licht mit grüner Wellenlänge -, 13 mit LQB - Licht mit blauer Wellenlänge -, der Lichtmodulator 1 und die Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 mit den Ausdehnungen BFR, BFQ, BFB gezeichnet sind. Die in Fig. 1 hintereinander in einem Abstand zueinander gezeichneten Sichtbarkeitsbereichθ 21 , 22, 23 mit BFR, BFG, BFB befinden sich in Wirklichkeit im gleichen Abstand vom Lichtmodulator 1 in einer Betrachterebene 24.
Bei einer farbigen Rekonstruktion, bei der der Lichtmodulator 1 von den an der gleichen Position vorgesehenen Lichtquellen 11 , 12, 13 mit unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtet wird, weisen die dazugehörigen wellenlängenabhängigen Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 mit BFR, BFG, BFB für sich eine unterschiedliche Ausdehnung und zugleich einen lateralen chromatischen Versatz V auf, der als diffraktiver chromatischer Fehler bezeichnet werden kann, wobei andererseits die jeweilige wellenlängenabhängige Ausdehnung BFR, BFG, BFB nur wenig über der Größe der Pupille 28 eines Betrachters liegt. Die durch den chromatischen Versatz entstehende gegenseitige Verschiebung der Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 verringert die Größe des möglichen Sichtbarkeitsbereichs auf einen effektiv verfügbaren Sichtbarkeitsbereich 26 im Überlappungsbereich mit einer wesentlich geringeren Ausdehnung BFeff relativ zu den Gesamtgrößen der einzelnen Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 erheblich. Es kann daher nur eine gegenüber den Ausdehnungen BFR, BFG, BFB wesentlich verringerte, auf dem chromatischen Versatz V basierende Überlappung von BFR, BFG) BFB als effektiver Sichtbarkeits- bereich 26 mit BFeff zur Visualisierung genutzt werden, wobei der effektive Sichtbarkeitsbereich 26 mit BFeft beispielsweise auch kleiner als die Pupille 28 eines Betrachters sein kann. Da damit u.U. viele Informationen bei der Visualisierung der Rekonstruktion verloren gehen, verringert sich somit insbesondere bei schräger Betrachtung die Rekonstruktionsqualität.
In der Druckschrift US2006033972 wird das Problem dadurch gelöst, dass die verschiedenfarbigen Lichtquellen LQR, LQQ, LQB in einem solchen gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet werden, dass die Beugungsordnungen für die drei Farben nach der Beugung an den Strukturen des Lichtmodulators sich am gleichen Ort überlappen. Das ist aber nicht möglich, wenn die verschiedenen Farben aus der gleichen Lichtquelle hervorgehen, z.B. bei einer weißen Lichtquelle oder die verschiedenfarbigen Lichtquellen einen fixierten Abstand zueinander aufweisen, wie z. B. die RGB-Pixel bei der Verwendung eines Farbdisplays als Lichtquelle.
Eine Vorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von dreidimensionalen Darstellungen ist in der Druckschrift WO2006/119920 A1 beschrieben, wobei die Vorrichtung ein System mit fokussierenden Elementen - ein Linsensystem - umfasst, das kohärentes Licht von Lichtquellen zu einem Betrachterfenster führt. Zwischen dem System mit fokussierenden Elementen und dem Betrachterfenster ist ein Lichtmodulator angeordnet, der mit holographischen Informationen kodiert ist. Dabei hat die Vorrichtung eine Vielzahl von Lichtquellen zum Beleuchten der Kodierfläche des Lichtmoduiators, wobei jeder Lichtquelle ein fokussierendes Element zugeordnet ist. Die Lichtquellen emittieren kohärentes Licht in der Weise, dass jede dieser Lichtquellen ein vorgegebenes Kodierfeld auf der Kodierfläche beleuchtet, wobei das fokussierende Element und die Lichtquelle derart angeordnet sind, dass das durch die Lichtquellen emittierte Licht übereinstimmend auf das Betrachterfenster gerichtet ist. Ein Problem besteht darin, dass ein großer Abstimmungsaufwand zur Anpassung des Systems der fokussierenden Elemente und deren Parameter in Bezug auf die Lichtquellen und an die voneinander getrennten Kodierfelder des Lichtmodulators vorhanden ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion in Lichtmodulatoren zur holografischen Rekonstruktion farbiger Darstellungen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass bei der holografischen Rekonstruktion von farbigen 3D-Objekten die Rekonstruktionsqualität unabhängig von der Ein- und Ausfallrichtung des Lichtes verbessert wird. Außerdem soll der Abstimmungsaufwand zwischen den beteiligten Bauelementen zur Verbesserung der Rekonstruktionsqualität verringert werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Vorrichtung zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion in Lichtmodulatoren zur holografischen Rekonstruktion farbiger Darstellungen enthält einen als diffraktives optisches Element ausgebildeten, mit steuerbaren Strukturen versehenen Lichtmodulator und mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Lichtmodulators, wobei bezüglich einer vorgegebenen höheren Beugungsordnung zugehörige wellenlängenabhängige Sichtbarkeitsbereiche einen auf die Flächennormale des Lichtmodulators bezogenen lateralen chromatischen Versatz V bezüglich der Lage ihrer Ausdehnungen BFRl BFG, BF8 auf einer festgelegten Be- trachterebene aufweisen, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 dem Lichtmodulator mindestens ein refraktives optisches Element zugeordnet ist, dessen refraktive chromatische Dispersion |dδ/dλ| gleich der diffraktiven chromatischen Dispersion |dθ/dλ| des pixelweise ausgebildeten Lichtmodulators gemäß Gleichung
|dδ/dλ| = |dθ/dλ| (VI) gegeben ist, wobei das refraktive optische Element eine derartige entgegengesetzt gerichtete refraktive chromatische Dispersion |dδ/dλ| aufweist, dass die wellenlängenabhängigen Sichtbarkeitsbereiche mit ihren Ausdehnungen BFR) BFG, BFB auf einen effektiven Sichtbarkeitsbereich mit einer Ausdehnung BF'eff in der festgelegt ten Betrachterebene zentriert sind, wobei δ der Ablenkwinkel des refraktiven optischen Elements, θ der Beugungswinkel und λ die Wellenlänge sind.
Ais Lichtquelle kann eine einzige weißstrahlende Lichtquelle mit den drei darin befindlichen Wellenlängen Rot, Grün und Blau vorgesehen sein.
Als Lichtquelle kann auch eine Lichtquelleneinheit mit verschiedenfarbigen Lichtquellen LQR, LQG, LQB mit den Wellenlängen Blau, Grün, Rot vorgesehen sein, die wahlweise an einer Stelle oder an verschiedenen Stellen in einer vorzugsweise senkrecht zur Flächennormalen ausgebildeten Ebene angeordnet sind. Dabei kann die Ausdehnung BF'eff des gemeinsamen effektiven Sichtbarkeitsbereichs der Ausdehnung BF6 des Sichtbarkeitsbereichs für die blaue Wellenlänge entsprechen.
Der Lichtmodulator kann eine optisch aktive Schicht vorzugsweise in Form einer ebenen doppelbrechenden Schicht haben, die Flüssigkristalle enthält, deren Brechungsindex-Ellipsoid durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die als Pixel ausgebildeten Strukturen steuerbar ist. Unter optisch aktiver Schicht ist dabei eine zumindest teilweise transmittierende und/oder reflektierende Schicht zu verstehen, deren optische Volumeneigenschaften von mindestens einem von außen einstellbaren physikalischen Parameter abhängen und durch Variation des Parameters gezielt gesteuert werden können.
Der Lichtmodulator kann andererseits steuerbare elektromechanische Strukturen - MEMS - mit diffraktiven optischen Eigenschaften aufweisen, die den Lichtmodulator zu einem diffraktiven optischen Element ausbilden.
Als refraktives optisches Element kann mindestens ein vorzugsweise dreiseitiges Prisma angeordnet sein, das aus zwei Grenzflächen und einer Flankenfläche besteht, wobei die beiden Grenzflächen die Schenkel für den Prismenwinkel α bilden, der der Flankenfläche gegenüberliegt.
Der zugehörige Prismenwinkel α ist dabei umgekehrt proportional dem Abstand p (Pitch) der Mitten zweier benachbarter Pixel des Lichtmodulators.
Anstelle eines einzelnen Prismas kann das refraktive optische Element ein Prismengitter sein, das mehrere Prismen oder Sektoren von Prismen in einer periodischen Anordnung umfasst.
Die Prismen des Prismengitters können eine Basislänge b der dem Lichtmodulator benachbarten Grenzfläche aufweisen, wobei die Basislänge b dem Pitch p der Pixel des Lichtmodulators oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen kann.
Die Prismen des Prismengitters können jeweils eine hinterschnittene Flankenfläche aufweisen.
Die hinterschnittenen Flankenflächen können einen Flankenwinkel ß zwischen einer zur Grenzfäche parallel gerichteten Ebene und den durch die Hinterschneidung der Prismen schräg verlaufenden Flankenflächen der Prismen aufweisen, der gleich dem Winkel von 90°, der die Richtung der Flächennormalen angibt, abzüglich dem Beugungswinkel θ in der vorgegebenen Beugungsordnung ist.
Für den Fall, dass die Erfindung durch einen Lichtmodulator für holografische Displays realisiert wird, der mindestens eine optisch aktive Schicht umfasst, deren Brechungsindex-Ellipsoid pixelweise gesteuert werden kann, ist erfindungsgemäß somit mindestens ein refraktives Kompensationselement vorhanden, das der diffraktiven Dispersion, die durch die pixelweise Struktur der optisch aktiven Schicht bedingt ist, entgegenwirkt.
Es ist daher für eine achromatische Kompensation zweckmäßig, insbesondere wenn der Lichtmodulator unter Betrachtungswinkeln eingesetzt wird, bei denen dispersive Effekte stören, dass in Verbindung mit der optisch aktiven Schicht das refraktive optische Element angeordnet ist, das der diffraktiven Dispersion der optisch aktiven Schicht des Lichtmodulators entgegenwirkt. Das angegebene Prisma oder die angegebenen Prismengitter sind z.B. jeweils ein solches refraktives optisches Element.
Die Wellenlängenabhängigkeit bei der Rekonstruktion insbesondere mit einem amplitudenmodulierenden Lichtmodulator kann somit kompensiert werden, indem beispielsweise ein Prisma oder ein angegebenes Prismengitter in der Nähe des Lichtmodulators angeordnet wird.
Ein Prisma ist jedoch ein asymmetrisches optisches Element. Die Asymmetrie ist nutzbar, wenn der Lichtmodulator so eingesetzt wird, dass er schräg und stets mit gleicher Orientierung betrachtet wird. Das ist z.B. gegeben, wenn eine vorgegebene höhere Beugungsordnung als die nullte Beugungsordnung zur holografischen Rekonstruktion einer farbigen Darstellung ausgewählt wird. Insbesondere in holo- grafischen Anwendungen, in denen zur Rekonstruktion zu betrachtender Darstellungen höhere Beugungsordnungen benutzt werden, stören unkompensierte dispersive Effekte.
Die Dispersion des Brechungsindex und der Prismenwinkel α des Prismas werden zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion so ausgebildet, dass die Dispersion des Prismas und die Dispersion der optisch aktiven Schicht bzw. der steuerbaren elektromechanischen Strukturen des Lichtmodulators betragsmäßig gleich groß, aber entgegengerichtet sind. Praktisch lässt sich das nicht in jedem Falle exakt realisieren. Die Erfindung ist jedoch bereits mit einer deutlichen Qualitätsverbesserung der optischen Rekonstruktion verbunden, wenn das refraktive optische Element so ausgebildet ist, dass es die diffraktive Dispersion des Lichtmodulators zumindest zu 80% korrigiert und kompensiert oder wenn das Prisma bzw. das Prismengitter nach Berechnung des jeweiligen Prismenwinkels α so ausgebildet werden, dass die verbleibende diffraktive Dispersion der Vorrichtung minimal wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich grundsätzlich auf amplitudenmodulierende und phasenmodulierende Lichtmodulatoren anwenden, die zur holografi- sehen Rekonstruktion einer farbigen Darstellung in einer von Null verschiedenen Beugungsordnung genutzt werden.
Um herkömmliche Lichtmodulatoren z.B. auf LC-Basis verwenden und durch ein refraktives optisches Kompensationselement verbessern zu können, ist es zweck- mäßig, das Kompensationselement separat auszubilden und außerhalb der optisch aktiven Schicht in einem möglichst geringen Abstand zur optisch aktiven Schicht anzuordnen, da ein durch den Lichtmodulator hindurch tretender Lichtstrahl, welcher mehrere Farbkomponenten LQR , LQG, LQB umfasst, die optisch aktive Schicht als divergentes Strahlenbündel verlässt. Der Abstand zwischen einzelnen Strahlen unterschiedlicher Farbe wächst daher mit zunehmendem Abstand des refraktiven optischen Elements von der optisch aktiven Schicht, was eine Kompensation der diffraktiv bedingten Divergenz in größerem Abstand von der optischen aktiven Schicht erschwert.
Insbesondere bei Verwendung von Prismen als refraktive Kompensationselemen- te ist es zweckmäßig, wenn das refraktive optische Element mehrere Prismen oder Sektoren von Prismen in periodischer Anordnung in Form eines Prismengitters umfasst, um auf diese Weise Volumen und Gewicht zu sparen und bei großen Glasdicken auftretende parallaktische Effekte zu verringern. Wenn das refraktive optische Prismengitter mehrere Prismen oder Sektoren von Prismen umfasst, deren Basislänge b dem Pitch p der Pixel des Lichtmodulators oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht, können Einflüsse durch Kantenbeugungseffekte gering gehalten werden.
Insbesondere bei kleinen Basislängen der Prismen in derartigen Mehrfachanord- nungen von Prismen ist es von Vorteil, wenn die Flankenflächen der Prismen im Bereich des größten Abstandes zwischen den optisch wirksamen Grenzflächen annähernd parallel zu den Lichtstrahlen verlaufen, die die Prismen passieren. Auf diese Weise wird die Größe von nicht als Prisma wirkenden Bereichen bei schräger Betrachtungsweise des Lichtmodulators zumindest reduziert. Durch eine entsprechende Hinterschneidung der einzelnen Prismen besteht zumindest bei einem bestimmten Betrachtungswinkel nahezu die gesamte Fläche der Prismenanordnungen aus einer der diffraktiven Dispersion des Lichtmodulators entgegen- wirkenden Fläche, da nahezu alle Lichtstrahlen vor Erreichen der Betrachterebene jeweils beide optisch wirksamen Grenzflächen passieren.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vorrichtung zur
Visualisierung von Rekonstruktionen farbiger Darstellungen von einem Sichtbarkeitsbereich aus unter Nutzung einer von Null verschiedenen, höheren Beugungsordnung an einem amplitudenmodulierenden
Lichtmodulator mit diffraktiver Dispersion,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion von Lichtmodulatoren für
Rekonstruktionen farbiger Darstellungen von einem Sichtbarkeitsbereich aus unter Nutzung einer höheren Beugungsordnung an einem amplitudenmodulierenden Lichtmodulator mit einer durch ein refraktives Kompensationselement - mit einem Prisma - weitgehend kompensierten diffraktiven Dispersion nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines diffraktiven Lichtmodulators auf LC- Basis und eines refraktiven Prismas als Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Prismas nach Fig. 3, wobei Fig. 4a einen Strahiengang durch das Prisma hindurch und Fig. 4b die zugehörige Brechungsindex(n)-Wellenlängen(λ)-Charak- teristik angeben,
Fig. 5 eine Darstellung von einen diffraktiven Lichtmoduiator passierenden Strahlen und von durch das nachgeordnete refraktive Prisma wellenlängenabhängig abgelenkten Strahlen und Fig. 6 eine vereinfachte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei
Fig. 6a einen diffraktiven Lichtmodulator mit einem ersten refraktiven Prismengitter und
Fig. 6b einen diffraktiven Lichtmodulator mit einem zweiten refraktiven
Prismengitter angeben.
Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion des pixelweise kodierbaren Lichtmodulators 1 für eine Rekonstruktion farbiger Darstellungen bei schräger Visualisierung unter Berücksichtigung von wellenlängenabhängigen Sichtbarkeitsbereichen, die der ersten Beugungsordnung der rekonstruierten Wellenfront zugeordnet sind, wobei zwischen dem Lichtmodulator 1 als diffraktives optisches Element und den wellenlängenzugeordneten Sichtbarkeitsbereichen 21 , 22, 23 mit den Ausdehnungen BFR, BFG, BFB erfindungsgemäß mindestens ein refraktives optisches Element 6 in Form eines Prismas zur weitgehenden Kompensation der chromatischen Dispersion des Lichtmodulators 1 angeordnet ist.
Die Ausrichtung des Lichtmodulators 1 ist im Raum durch die Flächennormate 5 gegeben. Der Lichtmodulator 1 kann ein holografisches Display darstellen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Lichtquelle 15 mit verschiedenen Lichtquelienfarbkomponenten: 11 mit LQR - Licht mit roter Wellenlänge -, 12 mit LQG - Licht mit grüner Wellenlänge -, 13 mit LQB - Licht mit blauer Wellenlänge -, der Lichtmodulator 1 und die Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 - 21 für rote Wellenlänge, 22 für grüne Wellenlänge, 23 für blaue Wellenlänge - mit den jeweils unterschiedlichen Ausdehnungen BFR, BFG, BFB angegeben sind. Die in Fig. 2 hintereinander und in einem Abstand zueinander gezeichneten Sichtbarkeitsbe- reiche 21 , 22, 23 befinden sich in Wirklichkeit im gleichen Abstand vom Lichtmodulator 1 entfernt auf dem Niveau der Betrachterebene 24. Bei der farbigen holografischen Rekonstruktion, bei der der Lichtmodulator 1 von Licht der Lichtquelle 15 mit den vorgesehenen Lichtquellenkomponenten 11 , 12, 13 mit unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtet wird, weisen die dazugehörigen wellenlängenabhängigen Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 für sich zwar jeweils eine dem chromatischen Fehler entsprechende unterschiedliche Ausdehnung BFR, BF0, BFB, aber durch die Anordnung des der Diffraktion des Lichtmodulators 1 entgegenwirkenden refraktiven Prismas 6 keinen lateralen Versatz V auf. Durch die zueinander angepasste Zentrierung der zugehörigen Ausdehnungen BFR1 BFGI BF5 der Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 auf die Betrachterebene 24 wird eine kompensierende Überlappung erreicht, die zentrierungsbedingt ein vergrößerter effektiver Sichtbarkeitsbereich 25 erzeugt, der eine größere Ausdehnung BF'eff als der effektive, der unkompensierten Überlappung entsprechende Sichtbarkeitsbereich 26 mit der geringeren Ausdehnung BFeff gemäß Fig. 1 hat. Dem Betrachter steht nunmehr erfindungsgemäß ein größerer effektiver Sichtbarkeitsbereich 25 mit BF'eff zur Visualisierung der Rekonstruktion zur Verfügung. Der vergrößerte effektive Sichtbarkeitsbereich 25 mit der Ausdehnung BF'eff kann dabei gleich oder sogar größer als die Pupille 28 des Betrachters sein. Da damit wesentlich mehr Informationen zur Visualisierung der Rekonstruktion von farbigen Darstellungen gegenüber der herkömmlichen Vorrichtung 10 beitragen, erhöhen sich somit insbesondere bei schräger Betrachtung die aufnehmbaren Informationen und somit auch die Rekonstruktionsqualität.
In Fig. 2 entspricht die Ausdehnung BFW des gemeinsamen effektiven Sichtbarkeitsbereichs 25 der Ausdehnung BFB des Sichtbarkeitsbereichs 23 für die blaue Wellen- länge.
Der diffraktive Lichtmodulator 1 auf LC-Basis ist in einer vereinfachten Version in Fig. 3 auf drei Pixel 2,3,4 reduziert, die jeweils einer optisch aktiven Schicht 15 zugeordnet sind und mittels auf die entgegengesetzten, ebenen Seiten der Schicht 15 aufgebrachten Elektroden 8,9 gesteuert werden können. Die Elektroden 8,9 sind derart strukturiert, dass durch das Modulationspotential U+ und das Modulationspotential U. ein steuerbares elektrisches Feld pixelweise angelegt werden kann. Die optisch aktive Schicht 15 enthält doppelbrechendes Material in Form von Flüssigkristallen 27, deren Ausrichtung durch die Ausbildung entsprechender Brechungsindex-Ellipsoide verdeutlicht wird. Die Ausrichtung des Lichtmodulators 1 kann durch eine Flächennormale 5 angegeben werden. Dem Lichtmodulator 1 nachgeordnet ist das refraktive optische Element in Form eines Prismas 6, welches so ausgebildet ist, dass die herkömmliche diffraktive Dispersion des Lichtmodulators 1 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 durch die Kombination mit dem refraktiven Prisma 6 weitgehend kompensiert wird.
Fig. 4 zeigt das refraktive Prisma 6 nach Fig. 3, wobei Fig. 4a vereinfacht einen Strahlengang durch das Prisma 6 hindurch und Fig. 4b die zugehörige Brechungs- index(n)-Wellen!ängen(λ)-Charakteristik des Prismas 6 angeben. Dazu wird die
Wirkungsweise des refraktiven optischen Prismas 6 erläutert. Das vorzugsweise dreiseitige Prisma 6 hat, wie auch schon in Fig. 3 gezeigt ist, zwei Grenzflächen
14, 14' und eine Flankenfläche 7, wobei die beiden Grenzflächen 14, 14' die Schenkel für den Prismenwinkel α bilden, der der Flankenfläche 7 gegenüberliegt.
In Fig. 4a ist gezeigt, dass das Prisma 6 mit dem Prismenwinkel α zwischen den beiden Grenzflächen 14,14' einen senkrecht auf die Grenzfläche 14, parallel zur
Flächennormalen 5 auftreffenden Lichtstrahl S mit der Wellenlänge λ zu einem austretenden Lichtstrahl P um den Ablenkwinkel δ ablenkt, wobei gemäß Gleichung (I) gilt: δ = asin(n * sin(α) ) - α (I).
Hierbei ist n der Brechungsindex des Prismas 6. Für kleine Winkel α und δ kann die Gleichung (I) linear genähert werden. Die Näherung gilt auch, wenn der Lichtstrahl S nicht senkrecht, sondern unter einem kleinen Winkel zur Normalen 5 der Grenzfläche 14 auftrifft: δ = ( n - l )* α (II).
Der Brechungsindex n hängt von der Wellenlänge λ ab, wie in Fig. 4b in der Brechungsindex(n)-Wellenlängen(λ)-Charakteristik gezeigt ist. Somit hängt auch der Ablenkwinkel δ von der Wellenlänge λ ab. Die differentielle Wellenlängenabhängigkeit ist nach Gleichung (III): dδ/dλ = α*dn/dλ (III). Die Gleichung (III) beschreibt die refraktive Dispersion.
Der Beugungswinkel θ des Lichtmodulators 1 in der ersten Beugungsordnung kann gemäß Gleichung (IV): θ = λ/p (IV) angegeben werden.
Hierbei stellt der Pitch p den Abstand der jeweils benachbarten Pixel 2, 3 und 3, 4 des Lichtmodulators 1 von deren Mitte zu Mitte dar. Die differentielfe Wellenlängenabhängigkeit des Beugungswinkels θ, d.h. die diffraktive Dispersion des Lichtmodula- tors 1 , ist durch Gleichung (V): dθ/dλ = 1/p (V) gegeben.
Wenn der Brechungsindex n im vorgegebenen Wellenlängenbereich linear verläuft, ist dn/dλ in Gleichung (II) konstant. Dann wird eine vollständige Kompensation der diffraktiven Dispersion in der Vorrichtung 20 erhalten, wenn der Prismenwinkel a so groß ausgebildet ist, dass die refraktive Dispersion dδ/dλ und die diffraktive Dispersion dθ/dλ in Gleichung (VI) den gleichen Betrag haben:
|dδ/dλ| = |dθ/dλ| => α * |dn/dλ| = 1/p (VI).
Aus der Gleichung (VI) lässt sich der Prismenwinkel α mit der Gleichung (VII) ot = 1/(p * |dn/dλ|) (VII) bestimmen.
Außerdem ist das Prisma 6 in Relation zum Lichtmodulator 1 derart mit seinen Grenzflächen 14, 14' ausgerichtet, dass die refraktive Dispersion dδ/dλ des Prismas 6 und die diffraktive Dispersion dθ/dλ des Lichtmodulators 1 entgegengesetzt gerichtet sind.
Damit wird eine weitgehende Kompensation der inhärenten Wellenlängenabhängigkeit des Beugungswinkels θ des Lichtmodulators 1 durch die refraktive Dispersion des Prismas 6 erhalten. Die zu verschiedenen Wellenlängen gehörenden Rekonstruktionen bzw. die Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 mit BFR, BFG, BFB befinden sich dann an der gleichen zentrierten Position und überlagern sich zu dem erreichten effektiven Sichtbarkeitsbereich 25 mit BF'eff, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex wird meistens nur in einem kleinen Wellenlängenbereich linear verlaufen. Über den sichtbaren Wellenlängenbereich von ca. 400 nm bis ca. 650 nm ist jedoch eine lineare Näherung möglich, so dass dn/dλ dort näherungsweise konstant ist. Damit ergibt sich zwar keine vollständige Kompensation, jedoch eine weitgehende Kompensation der diffraktiven Dispersion.
Die Erfindung lässt sich auch auf die Nutzung höherer Beugungsordnungen als der beschriebenen ersten Beugungsordnungen übertragen. Durch die geringe Helligkeit höherer Beugungsordnungen wird jedoch in der Regel nur auf die erste Beugungsordnung zurückgegriffen.
In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 mit einem Strahlengang gezeigt, die vereinfacht den Lichtmodulator 1 und das Prisma 6 umfasst. Der Lichtmodulator 1 wird mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet, wobei der Lichtstrahl L den Lichtmodulator 1 durchstrahlt. Dabei trifft der Lichtstrahl L senkrecht auf den Lichtmodulator 1 auf, dessen Ausrichtung im Raum wiederum durch ihre Flächennormale 5 angegeben wird. Der Lichtmodulator 1 ist amplitudenmodulierend, und zur Kodierung eines Hologramms kann eine Burckhardt- Kodierung verwendet werden, die eine Detour-Phasen-Kodierung darstellt, bei der drei Pixel 2, 3, 4 des Lichtmodulators 1 verwendet werden, um einen komplexen Transparenzwert des Hologramms zu kodieren. Der Pitch der Pixel ist p. Die Rekon- struktion der farbigen Darstellung, z.B. einer 3D-Szene, und der Sichtbarkeitsbereich befinden sich in der ersten Beugungsordnung. Die erste Beugungsordnung hat eine Winkelbreite von λ/3p. Ihr Zentrum liegt bei einem Beugungsordnungswinkel von λ/3p zur Richtung des Lichtstrahls L.
Des Weiteren ist nach dem Lichtmodulator 1 für blaues Licht ein Lichtstrahl SB zum Zentrum der ersten Beugungsordnung unter einem Beugungsordnungswinkel von θB = λB /3p (VIII)
zum einfallenden Lichtstrahl L angegeben. Ebenso ist für rotes Licht ein Lichtstrahl SR zum Zentrum der ersten Beugungsordnung unter einem Beugungswinkel von
θR = λR /3p (IX)
zum einfallenden Lichtstrahl L eingezeichnet. Hierbei sind λe und AR die Wellenlängen für blaues bzw. rotes Licht. Es ist
Figure imgf000019_0001
Nach dem Prisma 6 mit dem Prismenwinkel α sind die austretenden Lichtstrahlen PB und PR um einen weiteren Ablenkwinkei δB bzw. δR gegenüber der Richtung von SB bzw. SR abgelenkt. δB und δR sind die nach der Brechung entstehenden Ablenkwinkel am Prisma 6 und in der Näherung für kleine Winkel gegeben durch
δB = (nB - ! ) * α bzw. δR = (nR- l ) * α (Xl).
Hierbei sind nB und nR die Brechungsindizes für blaues bzw. rotes Licht. Bis auf wenige Ausnahmen sinkt der Brechungsindex eines Materials mit größer werdender Wellenlänge. Daher ist
δB > δR , da nB > nR (XII).
Damit sich die Dispersionen des Lichtmodulators 1 und des Prismas 6 kompensieren, wird
α * |dn/dλ( = l/3p (XIH)
gesetzt.
Hierbei ist berücksichtigt, dass bei der Burckhardt-Kodierung drei Pixel zur Kodierung einer komplexen Zahl benötigt werden.
Aus den Ableitungen zu den Gleichungen (I) bis (VII) und (VIII) bis (XlII) für die beiden beispielhaften Kodierungen ergibt sich, dass die Prismenwinkel α umgekehrt proportional dem Abstand p (Pitch) der Mitten zweier benachbarter Pixel 2, 3; 3, 4 des Lichtmodulators 1 sind.
Als mit Dimensionierungen versehenes Ausführungsbeispiel werden ein Lichtmodulator 1 mit einem Pitch von p = 20 μm und ein Prisma 6 der hochdispersiven Glassorte SF6 verwendet. Das Prisma 6 wird durch die Brechungsindizes nε = 1 ,8297 und nR = 1 ,7975 für die zugehörigen Wellenlängen X6 = 486 nm und XR = 656 nm charakterisiert. Mit der Näherung
dn/dλ * (nB - nR) / (λB - λR) = -1 ,9 * 1 (T4 nm"1
ergibt sich ein Prismenwinkel α = 5,0°. Das Prisma 6 ist dabei so angeordnet, dass die Dispersionen des Lichtmodulators 1 und des Prismas 6 entgegengerichtet sind und sich somit kompensieren.
Über den kompletten Wellenlängenbereich zwischen λe und XR ergibt sich somit eine weitgehende Kompensation der Dispersionen des Lichtmodulators 1 und des Prismas 6. Die austretenden Lichtstrahlen PB und PR haben die gleiche Richtung, woraus folgt, dass die Darstellung jeweils an der gleichen Position holografisch rekonstruiert wird bzw. der Sichtbarkeitsbereich 25 für verschiedene Farben zentriert an der gleichen Position liegt und somit keine Einschränkungen der Größe des effektiven Sichtbarkeitsbereichs 25 mit BF'eff durch eine unvollständige Über- lappung auftreten.
Das Prisma 6 kann wahlweise die komplette Breite des Lichtmodulators 1 überdecken.
Anstelle eines Prismas 6 kann auch ein Array aus Prismen - ein refraktives Prismengitter - eingesetzt sein, von denen jedes Prisma einen zur kohärenten Rekonstruk- tion genügend breiten Bereich des Lichtmodulators 1 überdeckt. Erfindungsgemäße Vorrichtungen 40, 50 mit jeweiligen Prismengittem sind in den Fig. 6, 6a und 6b gezeigt.
Fig. 6a zeigt eine vereinfachte Version der erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 aus einem Lichtmodulator 1 und einem ersten Prismengitter 6'. Die einzelnen in periodischer Anordnung ausgerichteten Prismen des ersten Prismengitters 6' weisen jeweils die beiden Grenzflächen 14, 14' und die Flankenfläche 7 auf, die dem Prismenwinkel α gegenüberliegt. Die Flankenfläche 7 ist dabei parallel zur Flächennormale 5 des Lichtmodulators 1 gerichtet. Dabei ist es zweckmäßig, dass die Basistänge b der Prismen dem Pitch p des Lichtmodulators 1 oder einem ganzzahligen Vielfachen kp (mit k=2 bis m) davon entspricht. Ansonsten gelten die gleichen, in Fig. 5 dargestellten Winkelbeziehungen und daraus abgeleiteten Gleichungen.
Fig. 6b zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 50 mit dem Lichtmodulator 1 und einem zweiten Prismengitter 6". Der Unterschied zu Fig. 6a besteht in der Ausbildung der Flankenflächen 7' der Prismen. Während die Flankenflächen 7 der Prismen des Prismengitters 6' in Fig. 6a parallel zur Flächennormalen 5 der Grenzfläche 14 gerichtet sind, verlaufen die Flankenflächen T der Prismen des zweiten Prismengitters 6" in Fig. 6b in einem Flankenwinkel ß zur Flächennorma- len 5. Damit wird die Größe von nicht als Prisma wirkenden Bereichen bei schräger Betrachtungsweise des Lichtmodulators 1 deutlich reduziert.
Durch die Hinterschneidung der einzelnen Prismen der Prismengitter 6' und 6" wirkt zumindest in einem bestimmten Betrachtungswinkel nahezu die gesamte Fläche der Prismengitter 6' und 6" als ein der diffraktiven Dispersion entgegen- wirkendes flächig erstrecktes, refraktiv dispersives optisches Element, da nahezu alle Lichtstrahlen vor Erreichen der Sichtbarkeitsbereiche 21 , 22, 23 jeweils beide optisch wirksamen Grenzflächen 14, 14' der Prismen passieren.
Die Kompensation der Wellenlängenabhängigkeit für transmissive diffraktive Lichtmo- dulatoren lässt sich in analoger Weise auch auf reflektive diffraktive Lichtmodulatoren anwenden und ist nicht auf die als Beispiel dargestellten amplitudenmodulierenden Flüssigkristallmodulatoren beschränkt. Sie beschränkt sich auch nicht auf die als refraktiv dispersive Kompensationselemente verwendeten Prismen. Bezugszeichenüste
1 Lichtmodulator
2 erstes Pixel 3 zweites Pixel
4 drittes Pixel
5 Flächennormale
6 Prisma
6' erstes Prismengitter 6" zweites Prismengitter
7 Flankenfläche 7' Flankenfläche
8 erste Elektrode
9 zweite Elektrode 10 herkömmliche Vorrichtung
11 erste Lichtquellenfarbkomponente LQR
12 zweite Lichtquellenfarbkomponente LQG
13 dritte Lichtquellenfarbkomponente LQB
14 erste Grenzfläche 14' zweite Grenzfläche
15 optisch aktive Schicht
20 Vorrichtung
21 roter Sichtbarkeitsbereich
22 grüner Sichtbarkeitsbereich 23 blauer Sichtbarkeitsbereich
24 Betrachterebene
25 zentrierter effektiver Sichtbarkeitsbereich
26 herkömmlicher effektiver Sichtbarkeitsbereich
27 Flüssigkristail 28 Pupille
30 Vorrichtung 40 Vorrichtung 50 Vorrichtung BF Sichtbarkeitsbereich
BFeff Ausdehnung des herkömmlichen effektiven Sichtbarkeitsbereichs BFW Ausdehnung des zentrierten effektiven Sichtbarkeitsbereichs BFR Ausdehnung des roten Sichtbarkeitsbereichs BFG Ausdehnung des grünen Sichtbarkeitsbereichs BF5 Ausdehnung des blauen Sichtbarkeitsbereichs U+ Modulationspotential U- Modulationspotential
P Pitch b Basis n Brechungsindex λ Wellenlänge α Prismenwinkel ß Flankenwinkel δ Ablenkwinkel Θ Beugungswinkel
S Lichtstrahl
L Lichtstrahl
P Lichtstrahl

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Minimierung der beugungsbedingten Dispersion in Lichtmodulatoren zur holografischen Rekonstruktion farbiger Darstellungen, enthaltend einen als diffraktives optisches Element ausgebildeten, mit steuerbaren Strukturen (2, 3, 4) versehenen Lichtmodulator (1) und mindestens eine Lichtquelle (15; 11 , 12, 13) zur Beleuchtung des Lichtmodulators (1), wobei bezüglich einer vorgegebenen höheren Beugungsordnung zugehörige wellenlängenabhängige Sichtbarkeitsbereiche (21 , 22, 23) einen auf die Flächennormale (5) des Lichtmodulators (1 ) bezogenen lateralen chromatischen Versatz (V) bezüglich der Lage ihrer Ausdehnungen (BFR, BFG, BFB) auf einer festgelegten Betrachterebene (24) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtmodulator (1 ) mindestens ein refraktives optisches Element (6, 6', 6") zugeordnet ist, dessen refraktive chromatische Dispersion |dδ/dλ| gleich der dtffraktiven chromatischen Dispersion |dθ/dλ| des pixelweise ausgebildeten Lichtmodulators (1) gemäß Gleichung
|dδ/dλ| = jdθ/dλ| (V!)
gegeben ist, wobei das refraktive optische Element (6, 6', 6") eine derartige entgegengesetzt gerichtete refraktive chromatische Dispersion |dδ/dλ| aufweist, dass die wellenlängenabhängigen Sichtbarkeitsbereiche (21 , 22, 23) mit ihren
Ausdehnungen (BFR, BFG, BFB) auf einen effektiven Sichtbarkeitsbereich (25) mit einer Ausdehnung (BF'eff ) in der festgelegten Betrachterebene (24) zentriert sind, wobei δ der Ablenkwinkel des refraktiven optischen Elements (6, 6', 6"), θ der Beugungswinkel und λ die Wellenlänge sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine einzige weißstrahlende Lichtquelle (15) mit den drei darin befindlichen Wellenlängen Rot, Grün und Blau vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch I 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine Lichtquelleneinheit mit verschiedenfarbigen Lichtquellen LQR, LQG, LQB (11 , 12, 13) mit den Wellenlängen Blau, Grün, Rot vorgesehen ist, die an einer Stelle oder an verschiedenen Stellen in einer senkrecht zur Flächennormalen (5) ausgebildeten Ebene angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (BF'eff) des gemeinsamen effektiven Sichtbarkeitsbereichs (25) der
Ausdehnung (BFB) des Sichtbarkeitsbereichs (23) für die blaue Wellenlänge entspricht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (1) eine optisch aktive Schicht (15) in Form einer ebenen doppelbrechenden Schicht hat, die Flüssigkristalle (27) enthält, deren Brechungsindex-Ellipsoid durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die als Pixel (2, 3, 4) ausgebildeten Strukturen steuerbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Lichtmodulator (1 ) steuerbare elektromechanische Strukturen mit diffraktiven optischen Eigenschaften aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als refraktives optisches Element (6) mindestens ein dreiseitiges Prisma angeordnet ist, das zwei Grenzflächen (14, 14') und eine Flankenfläche (7) aufweist, wobei die beiden Grenzflächen (14, 14') die Schenkel für den Prismenwinkel (α) bilden, der der Flankenfläche (7) gegenüberliegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Prismenwinkel (α) umgekehrt proportional dem Abstand (p) der Mitten zweier benachbarter Pixel (2, 3; 3, 4) des Lichtmodulators (1) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das refraktive optische Element (6', 6") ein Prismengitter mit mehreren Prismen oder mit Sektoren von Prismen in einer periodischen Anordnung umfasst.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen des Prismengitters (6\ 6") eine Basislänge (b) aufweisen, die dem Pitch (p) des Lichtmodulators (1 ) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Prismen des Prismengitters (Q") jeweils eine hinterschnittene Flankenfläche (7') aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die hinterschnittenen Flankenflächen (7') einen Flankenwinkel (ß) zwischen einer zur Grenzfläche (14) parallel gerichteten Ebene und den durch die Hinterschneidung der Prismen (6") schräg verlaufenden Flankenflächen (7J) der Prismen (6") aufweist, der gleich 90° als Richtung der Flächennormalen (5) abzüglich dem Beugungswinkel (θ) in der vorgegebenen Beugungsordnung ist.
PCT/EP2008/052408 2007-03-02 2008-02-28 Vorrichtung zur minimierung der beugungsbedingten dispersion in lichtmodulatoren Ceased WO2008107361A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009551207A JP2010520491A (ja) 2007-03-02 2008-02-28 光変調器における回折に関連する分散を最小化する装置
US12/529,557 US20100165428A1 (en) 2007-03-02 2008-02-28 Device for Minimizing Diffraction-Related Dispersion in Spatial Light Modulators

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007011560A DE102007011560A1 (de) 2007-03-02 2007-03-02 Vorrichtung zur Minimierung der verbeugungsbedingten Dispersion in Lichtmodulatoren
DE102007011560.3 2007-03-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008107361A1 true WO2008107361A1 (de) 2008-09-12

Family

ID=39361390

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/052408 Ceased WO2008107361A1 (de) 2007-03-02 2008-02-28 Vorrichtung zur minimierung der beugungsbedingten dispersion in lichtmodulatoren

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20100165428A1 (de)
JP (1) JP2010520491A (de)
DE (1) DE102007011560A1 (de)
TW (1) TW200909864A (de)
WO (1) WO2008107361A1 (de)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010062728B4 (de) * 2010-12-09 2012-07-12 Seereal Technologies S.A. Lichtmodulationsvorrichtung für ein Display
KR101939271B1 (ko) * 2012-10-25 2019-01-16 삼성전자주식회사 복합 공간 광 변조기 및 이를 포함한 3차원 영상 표시 장치
JP6322926B2 (ja) * 2013-08-12 2018-05-16 大日本印刷株式会社 照明装置、投射装置及び投射型表示装置
KR101945165B1 (ko) * 2015-08-05 2019-02-01 스펙트럼 옵틱스 아이엔씨. 평평한 쐐기형 렌즈 및 이미지 프로세싱 방법
JP6853603B1 (ja) * 2020-09-30 2021-03-31 サンテック株式会社 波長可変フィルタ
CN119270500B (zh) * 2024-09-23 2025-10-28 北京理工大学 基于自动微分和自由曲面技术的衍射光学元件设计方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4565426A (en) * 1983-05-02 1986-01-21 Cullen Ralph A W Beam splitter
EP0359179A2 (de) * 1988-09-12 1990-03-21 Kenneth C. Johnson Dispersionskompensierendes Diffraktionsgitter
WO2006119920A1 (en) * 2005-05-06 2006-11-16 Seereal Technologies Gmbh Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0059304B1 (de) * 1978-07-18 1985-10-23 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Verfahren zur Herstellung einer gekrümmten Beugungsgitterstruktur
JPH0192718A (ja) * 1987-10-02 1989-04-12 Canon Inc 回折格子光学素子で発生する色収差を補正し、回折格子光学素子により画像表示を行なう表示方法
JP2785427B2 (ja) * 1990-03-26 1998-08-13 松下電器産業株式会社 計算機ホログラムの作成方法
WO1996021996A2 (en) * 1995-01-14 1996-07-18 Optica Nova Onab Ab Colour pixel light separation in a projection device
US5973844A (en) * 1996-01-26 1999-10-26 Proxemics Lenslet array systems and methods
JPH1153754A (ja) * 1997-08-05 1999-02-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光ピックアップ
US6166787A (en) * 1998-03-17 2000-12-26 Motorola, Inc. Optical display device having prismatic film for enhanced viewing
JP3527664B2 (ja) * 1999-06-25 2004-05-17 ペンタックス株式会社 多波長レーザー変調光学系
JP4119210B2 (ja) * 2002-09-11 2008-07-16 浜松ホトニクス株式会社 三次元像表示装置および三次元像表示方法
DE10353439B4 (de) 2002-11-13 2009-07-09 Seereal Technologies Gmbh Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen
US6922273B1 (en) 2003-02-28 2005-07-26 Silicon Light Machines Corporation PDL mitigation structure for diffractive MEMS and gratings
JP3861844B2 (ja) * 2003-04-22 2006-12-27 コニカミノルタホールディングス株式会社 光学系およびホログラフィック光学素子の作製方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4565426A (en) * 1983-05-02 1986-01-21 Cullen Ralph A W Beam splitter
EP0359179A2 (de) * 1988-09-12 1990-03-21 Kenneth C. Johnson Dispersionskompensierendes Diffraktionsgitter
WO2006119920A1 (en) * 2005-05-06 2006-11-16 Seereal Technologies Gmbh Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes

Also Published As

Publication number Publication date
DE102007011560A1 (de) 2008-09-04
TW200909864A (en) 2009-03-01
JP2010520491A (ja) 2010-06-10
US20100165428A1 (en) 2010-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019185510A1 (de) Anzeigevorrichtung
DE102011056006B4 (de) Verfahren zur Kodierung eines Hologramms in einer Lichtmodulationseinrichtung
DE102009044910B4 (de) Räumliche Lichtmodulationseinrichtung zum Modulieren eines Wellenfeldes mit komplexer Information
WO2018211074A1 (de) Anzeigevorrichtung mit einem lichtleiter
WO2019012028A1 (de) Anzeigevorrichtung zur vergrösserung des sichtfelds
DE112015000351T5 (de) Anzeigevorrichtung für eine holografische Rekonstruktion
DE102007021036A1 (de) Anzeigevorrichtung und Anzeigeverfahren zur binokularen Darstellung eines mehrfarbigen Bildes
WO2018146326A2 (de) Lichtleitvorrichtung und anzeigevorrichtung zur darstellung von szenen
WO2012085045A1 (de) Kombinierte lichtmodulationsvorrichtung zur benutzernachführung
WO2008142000A1 (de) Holographisches rekonstruktionssystem mit einer nachführung der rekonstruktion
WO2013056703A2 (de) Anzeigevorrichtung und verfahren zur darstellung einer dreidimensionalen szene
EP3391122A1 (de) Optisches system sowie verfahren zum übertragen eines quellbildes
DE112017001326T5 (de) Anzeige für zweidimensionale und/oder dreidimensionale Bilder
DE102014209792B4 (de) Brillenglas mit einer Vielzahl von Beugungsstrukturen für Licht
WO2012004016A1 (de) Strahlenaufweitung und verschiedenartige kollimatoren für holografische bzw. stereoskopische displays
WO2008015283A1 (de) Holographisches rekonstruktionssystem mit vergrössertem sichtbarkeitsbereich
DE102007021774B4 (de) Lichtmodulator zur Darstellung komplexwertiger Informationen
WO2008003603A2 (de) Vorrichtung zur selektion von licht in einer beugungsordnung
WO2018037077A2 (de) Holographische anzeigevorrichtung
WO2009106429A1 (de) Steuerbare ablenkeinrichtung
DE102008062790A1 (de) Verfahren und Anordnung zur räumlichen Darstellung
WO2009092692A1 (de) Beleuchtungseinheit für ein holographisches rekonstruktionssystem
WO2008107361A1 (de) Vorrichtung zur minimierung der beugungsbedingten dispersion in lichtmodulatoren
DE102009028626A1 (de) Lichtmodulationvorrichtung für ein Display zur Darstellung zwei- und/oder dreidimensionaler Bildinhalte
DE102007063382A1 (de) Steuerbarer Lichtmodulator

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08709242

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009551207

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12529557

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08709242

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1