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Die Erfindung betrifft einen Holographischen Bildschirm zur Aufprojektion gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, ein Projektionssystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 15 und ein Verfahren zur Bildprojektion gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 16.
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Bildprojektionstechniken werden heute bei Präsentation und allgemeinen Büroarbeiten sowie zur Unterhaltung im Heimbereich zunehmend eingesetzt. Elektronische Projektoren, sogenannte Beamer, können zu diesem Zweck direkt an einen PC, Notebook, Fernseher oder DVD-Spieler angeschlossen werden. Weitere Anwendungen erfolgen beispielsweise in Kinos und in Vortragsräumen.
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Übliche Bildprojektionsschirme für Auflichtprojektion, wie z. B. weiße Leinwände, haben den Nachteil, dass sie außer dem einfallenden Licht aus dem Projektor auch Licht der Umgebung zum Betrachter zurückstreuen. Die Überlagerung dieses Hintergrundlichtes vermindert den Kontrast und die Farbsättigung des aufprojizierten Bildes.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind Holographische Bildschirme zur Aufprojektion entwickelt worden. Derartige Bildschirme streuen selektiv spektral schmalbandiges Licht eines Projektors, der sich an einem definierten Ort befindet, unter einem vorher definierten Winkel effizient zum Betrachter, der auf der gleichen Seite wie der Projektor ist, zurück. Spektral breitbandiges Hintergrundlicht aus anderen Richtungen als der Projektionsrichtung wird dagegen zum größten Teil unbeeinflusst transmittiert. Dies gilt sowohl für Hintergrundlicht, das von der Seite des Betrachters auf den Holographischen Bildschirm fällt, als auch für Hintergrundlicht, das von der dem Betrachter abgewandten Seite auf das Bildschirmhologramm fällt.
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Ein Holographischer Bildschirm zur Aufprojektion und seine Herstellung ist zum Beispiel in der
DE 197 00 162 A1 beschrieben. Um den Holographischen Bildschirm herzustellen, wird beispielsweise eine Hologrammaufnahme eines realen Bildschirms bzw. einer streuenden Fläche angefertigt. D. h., es entsteht ein Hologramm, dessen Objekt bei seiner Aufnahme ein realer Bildschirm oder eine lichtstreuende Fläche ist. Wird das Hologramm später mit einem Lichtstrahl in demselben Wellenlängenbereich und unter demselben Einfallswinkel wie bei der Hologrammaufnahme beleuchtet, so wird es durch die Gitterstruktur des Hologramms zum Betrachter zurückgestreut. Auf diese Weise erhält man bei der Projektion mit schmalbandigem Licht ein sehr helles und kontrastreiches Bild.
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Durch einen derartigen Holographischen Aufprojektionsschirm, der auf einer durchsichtige Trägerplatte aufgebracht ist, können erhellte Gegenstände, die sich hinter dem Aufprojektionsschirm bzw. Schirm befinden, betrachtet werden. Wird dagegen ein helles Bild auf den Schirm projiziert, wird die freie Sicht durch das Hologramm unterbrochen, d. h. für den Betrachter überstrahlt das projizierte Bild die Durchsicht durch den Schirm.
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Diese Überstrahlung braucht aber nicht immer vollständig zu sein, denn Stellen, die in dem projizierten Bild dunkel oder schwarz sind, werden für das Auge durch den Schirm noch teildurchsichtig sein. Ein heller Gegenstand, der sich vom Betrachter aus gesehen hinter dem Schirm befindet, wird den Kontrast im Projektionsbild deshalb deutlich verschlechtern
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Die störende Aufhellung des Raumes hinter dem holographischen Aufprojektionsschirm kann entweder direkt oder indirekt sein. Sie ist direkt, wenn der Raum normal beleuchtet ist. Sie ist indirekt, wenn bei einem verdunkelten Raum hinter dem Holographischen Bildschirm Licht aus dem Raum vor dem Holographischen Bildschirm durch den Schirm transmittiert wird und von hellen Gegenständen, die sich hinter dem Schirm befinden, nochmals durch den Schirm nach vorne zurückgestreut wird.
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Vor allem ist dies störend, wenn der holographische Schirm an eine hell gestrichene Wand angelehnt oder aufgezogen wird und die Wand das durchgehende Hintergrundlicht wieder durch den Schirm zum Betrachter zurückstreut.
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Damit die Überlagerung der Bilder von Gegenständen in Durchsicht das Aufprojektionsbild nicht stören, wurden holographische Aufprojektionsschirme bisher mit einer fest aufgebrachten absorbierenden Schicht versehen, um diese störende bzw. unerwünschte Durchsicht durch den Schirm bei ihrer Anwendung zu unterbinden.
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Ein derartiger holographischer Aufprojektionsschirm, der an einer Wohn- oder Bürowand angebracht ist und eine absorbierende Schicht auf seiner Rückseite hat, wird aber für den Betrachter als eintönige dunkle Fläche erscheinen und störend wirken. Um diesen Nachteil zu beheben müsste der holographische Bildschirm, wenn er nicht gebraucht wird, z. B. mit einer hellen Leinwand, wie einer z. B. Dekorleinwand überzogen werden, oder er müsste in der Wand mit Schiebe- oder Falttüren abgedeckt werden können. Dies ist aber umständlich, und verursacht zusätzliche Kosten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Holographischen Bildschirm bereitzustellen, der im Betriebszustand ein kontrastreiches Bild ohne bzw. mit nur geringem Störlicht erzeugt, während er im Ruhezustand für einen Betrachter nicht störend erscheint oder unästhetisch wirkt. Weiterhin soll ein Projektionssystem und ein Verfahren zur Bildprojektion geschaffen werden, mit dem dieselben Vorteile erzielt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Holographischen Bildschirm gemäß Patentanspruch 1, durch das Projektionssystem gemäß Patentanspruch 15, und durch das Verfahren zur Bildprojektion gemäß Patentanspruch 16. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den Zeichnungen.
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Der erfindungsgemäße Holographische Bildschirm ist zur Aufprojektion geeignet und umfasst eine optisch transparente Trägerplatte, sowie ein Hologramm, das an der Trägerplatte befestigt ist und aufprojiziertes, spektral schmalbandiges Licht in einen vorher bestimmten Raumwinkel zurückstreut, während das Hologramm für breitbandiges Licht transparent ist, wobei eine schaltbare Schicht vorgesehen ist, die zwischen einem ersten optisch transparenten Zustand und einem zweiten, optisch absorbierenden und/oder reflektierenden Zustand hin- und herschaltbar ist, wobei die schaltbare Schicht, das Hologramm und die Trägerplatte jeweils eine Schicht des holographischen Bildschirms bilden.
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Dadurch können auf besonders einfache und kostengünstige Weise sehr flexibel einsetzbare Holographische Projektionsschirme bereitgestellt werden, die im Betriebszustand eine hervorragende Bildqualität unter Vermeidung von Störlicht liefern, während sie im Zustand der Bereitstellung, wenn keine Bilder projiziert werden, nicht störend wirken, sondern transparent erscheinen und eine Durchsicht ermöglichen.
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Der Schirm kann ohne Beeinflussung des aufprojektierten Bildes elektronisch verdunkelt oder erhellt werden. Es können sogenannte schaltbare absorbierende Verglasungen eingesetzt werden. Schaltbare Verglasungssysteme sind Glasplatten mit eingelagerten Material-Schichten, die entweder elektronisch oder chemisch zwischen einem im Sichtbaren und nahen Infrarotbereich des Spektrum optisch transmittierendem und absorbierendem oder reflektierendem Zustand geschaltet werden können.
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Bevorzugt hat die schaltbare Schicht ein Absorptionsvermögen, das im sichtbaren Bereich des Spektrums einstellbar ist. Weiterhin hat die schaltbare Schicht bevorzugt ein Reflexions- oder Rückstreuvermögen, das im sichtbaren Bereich des Spektrums einstellbar ist.
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Insbesondere können mehrere schaltbare Schichten vorgesehen sein, deren Absorptionsvermögen und/oder Reflexions- oder Rückstreuvermögen im sichtbaren Bereich des Spektrums getrennt einstellbar sind.
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Die Trägerplatte weist vorteilhafterweise mehrere Schichten auf, zwischen denen das Hologramm versiegelt ist. Dadurch können Hologramm-Materalien wie z. B. Silberhalogenid und Dichromatgelatine, die gegenüber Umweltbeeinflussung wie Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit empfindlich sind, wirksam geschützt werden. Sie werden bevorzugt zwischen Glasplatten bzw. Kunststoffplatten versiegelt.
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Das Hologramm bzw. Bildschirmhologramm kann also sowohl auf der Oberfläche einer Trägerplatte aufgebracht sein, als auch innerhalb der Trägerplatte bzw. zwischen verschiedenen Schichten der Trägerplatte versiegelt sein, je nach Beständigkeit des Hologramms gegenüber Umwelteinflüssen.
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Bevorzugt ist eine Elektrodenanordnung vorgesehen, die zur Erzeugung eines elektrischen Feldes innerhalb der schaltbaren Schicht dient, wobei die schaltbare Schicht lichtstreuende oder lichtabsorbierende Partikel umfasst, die durch Anlegen des elektrischen Feldes ausrichtbar sind.
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Die schaltbare Schicht kann z. B. hydrochromes oder elektrochromes Material umfassen.
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Vorteilhaft ist eine Einrichtung zum Einbringen eines Reaktionsgases in die schaltbare Schicht vorgesehen, wobei die schaltbare Schicht oxidisches Material umfasst, das sich bei Kontakt mit dem Reaktionsgas einfärbt.
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Die schaltbare Schicht kann beispielsweise auch ein Viologen-System oder eine elektroreflektive Metallhydridschicht umfassen. Die schaltbare Schicht kann auch bevorzugt eine PDLC-Schicht (Polymer Dispersed Liquid Crystalls) umfassen, und/oder sie kann eine SPD-Schicht (Suspended Particle Device) umfassen.
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Bevorzugt ist die Trägerplatte aus Glas oder Kunststoff oder mehrschichtig aus beiden Materialkomponenten gefertigt, wobei das Hologramm beispielsweise durch Laminieren oder Kleben mit der Trägerplatte verbunden ist. Dadurch wird eine sehr hohe optische Qualität der Schirmoberfläche gewährleist. Das Hologramm ist beispielsweise aus einem Photopolymer gefertigt.
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Vorteilhaft wird der holographische Bildschirm als Trennwand zur Abtrennung von Räumen oder als Teil davon verwendet. Er kann zum Beispiel auch als Außenverglasung von Gebäuden oder Fahrzeugen oder als Fenster oder als Teil davon verwendet wird.
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Es ergibt sich somit eine Vielzahl von möglichen Anwendungen, in denen z. B. eine Wand je nach Bedarf abwechselnd als eine durchsichtige Wand oder als ein Bildschirm verwendet werden kann.
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Eine transmittierende Trennwand von Räumen kann z. B. abwechselnd eine freie Sicht in einen Nebenraum ermöglichen bzw. das Licht von einem Raum in den anderen durchlassen, und anschließend in den Zustand der Lichtabsorption umgeschaltet werden, in dem sie als verdunkelte Projektionswand dient.
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Glasfenster von Wohnräumen können tagsüber als durchlässig für Tageslicht, und abends als verdunkelte Projektionsschirme gestaltet bzw. umgeschaltet werden. Auch können große Glasfassaden von Gebäuden am Tag oder in der Nacht zusätzlich als Projektionsschirme verwendet werden.
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Weiterhin können auch Abteile von Flugzeugen oder Zügen mit durchsichtigen Wänden unterteilt werden, die bei Bedarf verdunkelt als Projektionswände benutzt werden.
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Vorteilhafterweise kann eine schaltbare Schicht zwischen zwei Hologrammen angeordnet sein. Damit können Projektionen von beiden Seiten des Schirms gleichzeitig erfolgen, ohne dass ein störendes gegenseitiges Überlagern der Projektionen von beiden Seiten erfolgt. Es ist somit also eine beidseitige Nutzung der Fläche möglich, d. h. mit Hologrammen zur Aufprojektion auf beiden Seiten der durchsichtigen Trägerplatte, weshalb sich eine erhebliche Einsparung an Raum ergibt.
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Als schaltbare Schicht werden bevorzugt optische Schalter verwendet, die im gesamten sichtbaren Bereich, der den Rot-Grün-Blauen Wellenlängenbereich der üblichen Bildprojektoren umfasst, wirksam sind. Es kann dabei im Bereich zwischen einer höchsten Transmission von 50%–70% und einer niedrigsten Transmission im absorbierendem Zustand von 1% bis 10% hin- und hergeschalten werden, was für den hier besprochenen Zweck ausreichend ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung können reflektive Verglasungssysteme als Schalter eingesetzt werden, die von einem transmittierendem Zustand zu einem reflektierenden bzw. reflektiv streuendem Zustand umgeschaltet werden können. In Kombination mit holographischen Rückprojektionschirmen können solche Schichten in bestimmten Fällen zur Umschalten von einem Spiegel in eine Projektionswand dienen.
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Weiterhin ist eine Kombination einer ersten mit einer zweiten absorbierenden Schicht in der gleichen Trägerplatte möglich, die ein Umschalten zwischen transmittierender, reflektierender oder absorbierender Projektionswand in einer einzigen Trägerplatte ermöglicht. Der Reflexionsfaktor einsetzbarer reflektiver Schichten beträgt üblicherweise 50%–70%, was für die hier besprochenen Einsatzbereiche ausreichend ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Projektionssystem bereitgestellt, mit einem Projektor zur Projektion von Bildern mit spektral schmalbandigem Licht in ein oder mehreren Wellenlängenbereichen, und mit einem Bildschirm zur Wiedergabe der aufprojizierten Bilder, wobei der Bildschirm ein erfindungsgemäßer Holographischer Bildschirm ist, wie er oben allgemein und nachfolgend im Detail beschrieben ist.
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Daraus ergeben sich im wesentlichen die Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Holographischen Bildschirm angesprochen wurden.
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Für die Projektion auf das Aufprojektionshologramm können bevorzugt wahlweise Projektoren mit Lampen, LEDs oder Lasern verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Projektion von Bildern auf einen Bildschirm angegeben, bei dem mit spektral schmalbandigem Licht in ein oder mehreren Wellenlängenbereichen Bilder auf einen Holographischen Bildschirm projiziert werden, wobei das schmalbandige Licht durch in einen vorher bestimmten Raumwinkel zurückgestreut wird, und wobei der Holographische Bildschirm zu Beginn oder während des Verfahrens aus einem ersten Zustand, in dem er optisch im wesentlichen transparent ist, in einen zweiten Zustand, in dem er im wesentlichen optisch absorbierend ist, gebracht wird.
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Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen im wesentlichen den Vorteilen, die mit dem erfindungsgemäßen Holographischen Bildschirm erzielt werden.
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Die Projektion erfolgt vorteilhafterweise auf eine Trennwand oder ein Fenster, das als Holgraphischer Bildschirm ausgestaltet ist oder einen Holographischen Bildschirm umfasst, wobei der Holographische Bildschirm während der Projektion für spektral breitbandiges Licht nicht transparent ist, während er vor oder nach der Projektion für spektral breitbandiges Licht transparent ist.
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Vorteilhaft wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein erfindungsgemäßer, nachfolgend detailliert beschriebener Holographischer Bildschirm verwendet.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen
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1a und 1b schematisch einen Holographischen Bildschirm und dessen Aufbau als erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Darstellung zeigen;
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2a und 2b schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Holographischen Bildschirms gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform in transparentem bzw. absorbierendem Zustand zeigen; und
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3 schematisch eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der der Holographische Schirm ein chemisch optisch schaltbares Trägermaterial aufweist.
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1a und
1b zeigen den Aufbau eines Holographischen Bildschirms
110. Der Holographische Bildschirm
110 hat eine erste transparente Trägerplatte
112 aus Glas, auf deren Oberfläche ein Hologramm
111 aufgebracht ist. Das Hologramm
112 ist ein Bildschirmhologramm, das einfallendes, spektral schmalbandiges Licht vorbestimmter Wellenlänge in einen vordefinierten Raumwinkel zurückstreut bzw. beugt, während breitbandiges Umgebungslicht hindurchgelasssen wird. Für weitere Details bei der Herstellung des Hologramms zur Bildprojektion wird auf die bereits erwähnte Druckschrift
DE 19700162 A1 Bezug genommen.
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An der Rückseite der Trägerplatte 112 befindet sich eine erste transparente Elektrode 113, die mit einer ersten schaltbaren Schicht 114 verbunden ist. Die schaltbare Schicht 114 ist eine elektrochrome Schicht. Im Anschluß an die schaltbare Schicht 114 folgt eine Aktivierungsschicht 115, die aus einem Polymerelektrolyt gefertigt ist und ein Mittel zur Aktivierung der elektrochromen Schicht bildet.
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Bei Aktivierung der schaltbaren Schicht 114 geht diese von einem im wesentlichen transparenten Zustand in einen Zustand über, in dem sie breitbandiges Licht absorbiert bzw. sperrt. Im transparenten Zustand kann breitbandiges Licht 120 oder Störlicht den holographischen Bildschirm 110 durchdringen, wie in 1b durch die Pfeile 120 und 121 dargestellt. Im Sperrzustand bzw. nicht-transparenten Zustand kann kein oder nur noch ein sehr geringer Anteil 122 des Störlichts oder breitbandigen Umgebungslichts 120 den Holographischen Bildschirm 110 durchdringen.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist auf beiden Seiten der Aktivierungsschicht 115 jeweils eine Anordnung aus schaltbarer Schicht, Trägerplatte und transparenter Elektrode vorgesehen. D. h., auf der Rückseite der Aktivierungsschicht 115 befindet sich eine zweite elektrochrome schaltbare Schicht 116, daran anschließend eine zweite schichtförmige transparente Elektrode 117, an die sich wiederum eine zweite Trägerplatte 118 in Form einer Glasschicht anschließt.
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1a zeigt das Auge 140 eines Betrachters, der die Vorderseite des Holographischen Schirms 110 betrachtet. Umgebungslicht 120, das Tageslicht oder Störlicht sein kann, geht durch den Schirm in seinem transmittierenden Zustand hindurch. In seinem geschalteten Zustand wird das Störlicht gesperrt oder zumindest sehr stark abgeschwächt, sodass kein oder ein nur sehr geringer Anteil an Licht den Schirm 110 durchdringen und zum Auge 140 des Betrachters gelangen kann. Aufprojiziertes, schmalbandiges Licht 130 in ein oder mehreren sichtbaren Wellenlängenbereichen wird dagegen vom Holographischen Bildschirm 110 zum Auge 140 des Betrachters zurückgestreut, sodass aufprojizierte Bilder oder Informationen sichtbar werden.
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2a und 2b zeigen den Aufbau eines holographischen Schirms 210 im Querschnitt, gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform. 2a zeigt den Holographischen Bildschirm im transparenten Zustand, während 2b den Bildschirm im nicht-transparenten Zustand zeigt.
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Der Holographische Bildschirm 210 hat in seinem Zentrum eine aktive bzw. schaltbare Schicht 214, in Form eines sogenannten Suspended Particle Device (SPD). Die schaltbare Schicht 214 umfasst eine Matrix aus einem Polymer, in der sich Partikel 215 in der Art einer Suspension befinden, die sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes ausrichten.
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Auf beiden Seiten der schaltbaren Schicht 214 ist eine, schichtförmige transparente Elektrode 213, 216 angeordnet. Über eine Spannungsversorgungsschaltung 230, die mit den Elektroden 213, 216 elektrisch verbunden ist, wird bei Bedarf ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 213, 216 erzeugt, das auf die Partikel 215 der schaltbaren Schicht 214 wirkt und diese ausrichtet, so dass die schaltbare Schicht 214 und damit der Holographische Bildschirm 210 transparent ist.
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Bei geöffneter bzw. unterbrochener Spannungsversorgung 230 sind die Partikel nicht ausgerichtet, so dass das hindurchgehende Licht 220' durch Absorption in der schaltbaren Schicht 214 abgeschwächt bzw. gesperrt wird (2b).
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Auf beiden Seiten der Schichtanordnung ist jeweils ein schichtförmiges Hologramm 212, 218 zwischen zwei Glasplatten versiegelt, die ein Trägermaterial bzw. eine Trägerplatte 211, 219 bilden. Das heißt, es liegt hier eine Versiegelung eines Aufprojektionshologramms auf beiden Seiten des Holographischen Bildschirms vor. Damit ist eine beidseitige Bilddarstellung möglich, d. h., es kann eine Aufprojektion und ein Betrachten der aufprojezierten Bilder auf beiden Seiten des Holographischen Bildschirms 210 erfolgen.
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3 zeigt eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei der ein chemisch optisch schaltbares Trägermaterial in einem holographischen Schirm 310 verwendet wird. Der Holographische Bildschirm 310 umfasst eine Trägerplatte 311, an die sich ein Kanal anschließt, der mit einem Reaktionsgas 312 befüllbar oder durchströmbar ist.
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Eine transparente Katalysatorschicht 313 und eine hydrochrome Funktionsschicht 314 bewirken, dass der Holographische Bildschirm 310 beim Befüllen mit dem Reaktionsgas 312 von einem transparenten in einen nicht-transparenten Zustand geschaltet wird, was die schaltbare Schicht zunehmend verdunkelt.
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Eine versiegelte Hologrammschicht 315 befindet sich innerhalb einer Trägerplatte 316, um das mit einer spektral schmalbandigen Lichtquelle in ein oder mehreren Wellenlängen, beispielsweise in den drei Grundfarben, aufprojizierte Bild in einem vorbestimmten Winkel zum Betrachter zurückzustreuen.
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Es versteht sich, dass auch Viologen-Systeme mit umschaltbarer Absorption bzw. reflektive Systeme und hybride absorptive und reflektive Schichten analog diesen Ausführungen aufgebaut sein können.
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Zusammengefasst zeigt die Erfindung insbesondere einen Holographischen Aufprojektionsschirm, der mit einer optischen Trägerplatte verbunden ist, und eine aktive optische Schicht, die auch mit der Trägerplatte verbunden ist, wobei die Transmission der Trägerplatte elektronisch oder chemisch geschaltet werden kann. Die Absorption der aktiven optischen Schicht wird z. B. im sichtbaren Teil des Spektrums geschaltet.
