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Die
Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zur holographischen
Rekonstruktion von Szenen mit einer Hologramm-Matrix, einem Abbildungssystem
mit wenigstens einem Abbildungsmittel und einer Beleuchtungseinrichtung
mit hinreichend kohärentem
Licht zum Beleuchten eines in der Hologramm-Matrix kodierten Hologramms.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur holographischen
Rekonstruktion von Szenen.
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Bei
bekannten 3D-Display- oder Projektionseinrichtungen bzw. -verfahren
wird in der Regel der Stereoeffekt ausgenutzt, wobei das den Stereoeindruck
erzeugende Licht von einer Ebene reflektiert oder emittiert wird.
Bei der Holographie hingegen wird das Licht, welches das Hologramm
durchsetzt oder von diesem reflektiert wird, in den Objektpunkten
der Szene gebündelt,
von wo es sich ganz natürlich
ausbreitet. Holographische Darstellungen realisieren eine Objektsubstitution.
Im Gegensatz dazu sind stereoskopische Darstellungen in unbewegter Form
(Stills) oder in bewegter Form bei beliebigen Darstellungsformen
keine Objektsubstitution. Sie stellen für das linke und für das rechte
Auge ebene Projektionen, beispielsweise auf einem Display oder einer
Projektionsfläche,
wobei die beiden Ansichten für
das linke und rechte Auge Projektionen der Szene aus unterschiedlichen
Richtungen, bedingt durch die unterschiedlichen Positionen der Augen,
auch Richtungsparallaxe genannt, darstellen.
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Die
Holografie wird allgemein in statische und dynamische Verfahren
unterschieden. Bei der statischen Holografie werden sehr oft photographische
Medien zur Aufzeichnung eingesetzt. Dabei wird mittels eines Referenzstrahles,
welcher mit einem die Objektinformation tragenden Lichtstrahl überlagert
wird, ein Interferenzbild auf dem photographischen Medium aufgezeichnet.
Diese statischen Hologramme werden mit einem dem Referenzstrahl ähnlichen
Strahl rekonstruiert. Jedoch sind beispielsweise die Unterhaltungsindustrie
wie auch die Medizin – und
Militärtechnik
schon seit langem wegen der räumlichen
Eigenschaften an einer Echtzeitdarstellung von bewegten Szenen mittels
der Holografie interessiert. Diese Echtzeitdarstellung von bewegten Szenen
wird auch als dynamische Holografie bezeichnet. Ein wesentlicher
Nachteil der bisher bekannten dynamischen Holografieverfahren liegt
darin, dass die Rekonstruktionen bzw. die rekonstruierte Szene nur
mit räumlich
sehr begrenzten Ausdehnungen und nur in sehr kleinen Betrachterwinkeln bzw.
Betrachterbereichen entsteht. Die dazu eingesetzten holographischen
Displays sind meist nur wenige Zoll groß und erzeugen wegen ihrer
relativ geringen Auflösung
nachteilig kleine Betrachterwinkel von einigen wenigen Grad.
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Vorzugsweise
werden für
Videohologramme meist Projektionseinrichtungen mit einer Auflösung von
etwa 10 μm
bei einer Größe von wenigen
Zoll eingesetzt. Ihr Betrachterfenster erreicht in 1 m Entfernung
eine Ausdehnung von kaum 50 mm. Die gegenwärtig eingesetzten Projektionseinrichtungen weisen
im Vergleich zu Direktsicht-Displays
einen geringen Pitch auf, der bedingt befähigt als computergeneriertes
Hologramm (CGH) dreidimensionale Szenen zu rekonstruieren.
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Zur
dreidimensionalen Darstellung von dynamischen Hologrammen, in der
Regel computergenerierte Hologramme, in holographischen Projektionseinrichtungen
werden neben Transmissions- auch Reflektionsdisplays auf der Basis
von LCoS (Liquid Crystal on Silicon) bzw. DMD (digital micromirror device)
eingesetzt. Der Grund dafür
liegt in ihrer relativ hohen Auflösung, kurzen Schaltzeit sowie
in den geringen Lichtverlusten durch Absorption im Vergleich zu
transmissiven Displays. Allerdings müssen die geringen räumlichen
Ausdehnungen in Kauf genommen werden.
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Aus
der WO 03/060612 ist ein reflektives LC-Display mit einer Auflösung von
ca. 12 μm
und einem Reflektionsgrad bis zu 90% zur farbigen Echtzeitdarstellung
von Hologrammen bekannt. Die Rekonstruktion erfolgt mit dem kollimierten
Licht einer oder mehrerer LED über
eine Feldlinse. Obwohl die Auflösung
relativ hoch ist, ergibt sich in ca. 1 m Entfernung nur ein Betrachterfenster
von ca. 3 cm Ausdehnung, was nicht ausreichend ist, um die rekonstruierte
Szene mit beiden Augen gleichzeitig, also dreidimensional, zu betrachten.
Außerdem
lassen sich durch die geringen Abmessungen des Displays in dem durch
dieses und das Betrachterfenster aufgespannten Rekonstruktionsraum
nur relativ kleine Objekte rekonstruieren.
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In
der WO 02/095503 ist eine holographische 3D-Projektionseinrichtung
beschrieben, welche zur Hologrammdarstellung einen DMD-Chip verwendet. Trotz
der ebenfalls relativ hohen Auflösung,
der hohen Reflektivität
und der geringen Schaltzeit des Hologrammträgers lassen sich aber auch
in diesem Fall nur Szenen mit geringen Abmessungen rekonstruieren
und in einem relativ kleinen Betrachterfenster beobachten. Der Grund
liegt auch hier wiederum in dem durch die Abmessungen des Hologramms
und des Betrachterfensters festgelegten Rekonstruktionsraums. Zudem
eignen sich DMD-Chips wegen ihrer bedingten Kohärenz kaum für holographische Zwecke.
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Die
WO 00/75699 beschreibt ein holographisches Display, welches ein
Videohologramm mit Hilfe von Teilhologrammen rekonstruiert. Dieses
Verfahren ist auch unter dem Begriff Tiling bekannt. Dabei werden
auf einem gemeinsamen Elektronisch Adressierbaren Spatial Light
Modulator (EASLM) kodierte Teilhologramme sequentiell in eine Zwischenebene abgebildet,
wobei der Prozess so schnell erfolgt, dass ein Beobachter die Rekonstruktionen
aller Teilhologramme als eine einzige Rekonstruktion eines 3D-Objektes
wahrnimmt. Um die Teilhologramme in der Zwischenebene matrixförmig anzuordnen,
dient ein spezielles Beleuchtungs- und Abbildungssystems, beispielsweise
mit einem Shutter, der synchron mit dem EASLM gesteuert wird und
immer nur das jeweilige Teilhologramm durchlässt und insbesondere die nicht
genutzten Beugungsordnungen ausblendet. Die Anforderungen an die
dynamischen Eigenschaften des zur Darstellung der Teilhologramme
verwendeten SLM steigen aber erheblich.
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Die
oben erwähnten
bekannten Lösungen weisen
zusammengefasst folgende wesentlichen Nachteile auf. Die räumliche
Ausdehnung der Rekonstruktion wird durch die geringe Größe der zur
Hologrammdarstellung verwendeten Projektionsdisplays beschränkt. Durch
das in der WO 00/75699 beschriebene Tiling-Verfahren lassen sich
zwar größere Szenen
rekonstruieren, aber wegen der verwendeten größeren Pixelanzahl steigt der
Aufwand zur Berechnung des Hologramms sowie die Anforderungen an die
Datenrate erheblich an, was eine Echtzeitdarstellung erschwert.
Beim zeitsequentiellen Tiling wie aus der WO 00/75699 bekannt, ergeben
sich erhöhte
Anforderungen an die dynamischen Eigenschaften des verwendeten SLM.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Projektionsvorrichtung
zur holographischen Rekonstruktion von Szenen zu schaffen, welche
die erwähnten
Nachteile des Standes der Technik beseitigt und zwei – oder dreidimensionale Szenen
vergrößert und
in einem großen
Betrachterbereich sichtbar darstellt, so dass mit einer geringen Anzahl
von optischen Elementen einfach, kostengünstig und mit hoher Qualität räumlich ausgedehnte bewegte
Szenen rekonstruiert werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das Abbildungssystem wenigstens zwei Abbildungsmittel aufweist,
die das kohärente
Licht in eine Betrachterebene mit wenigstens einem Betrachterfenster
abbilden, wobei ein erstes Abbildungsmittel das Hologramm vergrößert und
ein zweites Abbildungsmittel das Hologramm rekonstruiert.
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Erfindungsgemäß weist
die Projektionsvorrichtung neben der Hologramm-Matrix und der Beleuchtungseinrichtung
zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht ebenfalls ein
Abbildungssystem mit dem ersten und dem zweiten Abbildungsmittel
auf. Durch die optische Vergrößerung des
in der Hologramm-Matrix kodierten Hologramms als Träger der
wellenoptischen Information auf das zweite Abbildungsmittel wird
die vergrößerte Rekonstruktion
der Szene in einem ebenfalls vergrößertem Rekonstruktionsraum,
auch als Frustrum bezeichnet, einem oder mehreren Betrachtern dargeboten.
Unter hinreichend kohärentem
Licht wird hier Licht verstanden, welches interferenzfähig für die Darstellung
der dreidimensionalen Szene ist.
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Eine
derartige erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung
weist somit nur eine geringe Anzahl von optischen Elementen zur
holographischen Rekonstruktion auf. An die Qualität der optischen
Elemente werden, verglichen mit bekannten optischen Aufbauten geringe
Anforderungen gestellt. Auf diese Weise wird ein kostengünstiger,
einfacher und kompakter Aufbau der Projektionsvorrichtung gewährleistet,
wobei Hologrammträger
eingesetzt werden können,
welche eine geringe räumliche
Ausdehnung aufweisen. Dies können
beispielsweise bisher in Projektionseinrichtungen eingesetzte Lichtmodulatoren (SLM)
sein. Die begrenzte Größe des SLM
begrenzt auch die Anzahl der Pixel. Dadurch kann die Berechnungszeit
des Hologramms erheblich gesenkt werden, was wiederum dazu führt, dass
gegenwärtig
verfügbare
Rechentechnik eingesetzt werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass eine Blende in Strahlrichtung in einer Ebene unmittelbar
hinter dem ersten Abbildungsmittel angeordnet ist.
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Ein-
oder zweidimensionale Hologramme, die auf Lichtmodulatoren (SLM)
in Pixeln kodiert sind, wobei die Pixel regulär angeordnet sind, erzeugen
in der Fourierebene, die mit dem ersten Abbildungsmittel zusammenfällt, eine
periodische Rekonstruktion. Zur Unterdrückung oder Ausschaltung der
Periodizität
kann vorteilhafter Weise eine Blende in dieser Ebene angeordnet
sein, welche nur das gewünschte Periodizitätsintervall
bzw. nur die gewünschte
Beugungsordnung durchlässt.
In der Regel überlappen sich
die einzelnen Beugungsordnungen, so dass die Blende Information
abschneidet oder ungewünschte Information
passieren lässt.
Durch geeignete Kodierung können
die einzelnen Beugungsordnungen aber voneinander separiert werden,
wodurch die nachteiligen Effekte beseitigt werden.
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Für Hologramme,
die als Datenträger
keine Periodizität
aufweisen, also kein Sampling bewirken, enthält auch die Fourierebene keine
Periodizität. Eine
Blende kann somit entfallen. Derartige Hologrammträger sind
beispielsweise OASLM.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zur Rekonstruktion
des Hologramms ein drittes Abbildungsmittel enthalten sein, das
nahe der Hologramm-Matrix angeordnet ist.
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Das
dritte Abbildungsmittel rekonstruiert das in der Hologramm-Matrix
kodierte Hologramm in seine bildseitige Brennebene. Auf diese Weise
entsteht in der bildseitigen Brennebene des dritten Abbildungsmittels,
welche vorteilhafter Weise der Ebene des ersten Abbildungsmittels
entspricht, die Rekonstruktion als Fourier-Transformierte der kodierten Hologrammfunktion.
Die Verwendung eines dritten Abbildungsmittels, beispielsweise in
Strahlrichtung vor oder hinter der Hologramm-Matrix, ist hier dahingehend von Vorteil,
dass ohne dieses Abbildungsmittel nur Licht mit entsprechend großem Beugungswinkel das
zweite Abbildungsmittel erreicht. Demnach fokussiert das dritte
Abbildungsmittel das vom Hologramm ausgehende Licht bzw. die ausgehende
Welle in seine bildseitige Brennebene bzw. in die Ebene des ersten
Abbildungsmittels. Jedoch muss das dritte Abbildungsmittel beispielsweise
bei Beleuchtung mit einer konvergierenden Welle nicht vorhanden
sein, da vorteilhafter Weise die auf das Hologramm fallende Rekonstruktions-Welle
derart eingestellt werden kann, dass sie annähernd in der Ebene des ersten Abbildungsmittels
konvergiert.
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Das
erste Abbildungsmittel bildet nach der Rekonstruktion des Hologramms
dieses in eine Ebene unmittelbar vor dem zweiten Abbildungsmittel
vergrößert ab.
Das zweite Abbildungsmittel rekonstruiert eine dreidimensionale
Szene in einem Rekonstruktionsraum und bildet gleichzeitig die Fourier-Transformierte
bei Nichtperiodizität
in der bildseitigen Brennebene des dritten Abbildungsmittels bzw.
die Blende bei Periodizität
in dieser Ebene in die Betrachterebene ab.
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Um
die Betrachterfenster in einem großen Bereich für den Betrachter
bzw. die Betrachter verfügbar
zu machen, kann ein Positionserfassungssystem zur Bestimmung von Änderungen
einer Augenposition des Betrachters beim Betrachten der rekonstruierten
Szene enthalten sein.
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Das
Positionserfassungssystem erfasst Änderungen der Augenposition
des Betrachters wie auch mehrerer Betrachter beim Betrachten der
rekonstruierten Szene, wobei die rekonstruierte Szene derart kodiert
wird, dass diese in Abhängigkeit
von der Änderung
der Augenposition des Betrachters in horizontaler, vertikaler und/oder
axialer Position sichtbar wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft,
um bei Änderung
der Augenposition die Lage und/oder den Inhalt der rekonstruierten
Szene entsprechend zu aktualisieren. Daraufhin kann das Betrachterfenster
entsprechend der neuen Position der Augen nachgeführt werden.
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Zum
Nachführen
des wenigstens einen Betrachterfensters entsprechend der Augenposition
ist wenigstens ein Ablenkelement enthalten. Derartige Ablenkelemente
können
mechanische, elektrische oder optische Elemente sein.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird weiterhin durch ein Verfahren zur holographischen Rekonstruktion
von Szenen gelöst,
wobei in einem ersten Schritt in einer Ebene eines ersten Abbildungsmittels eine
Rekonstruktion als Fourier-Transformierte des kodierten Hologramms
entsteht, wonach in einem zweiten Schritt das erste Abbildungsmittel
das Hologramm in eine Ebene unmittelbar vor einem zweiten Abbildungsmittel
abbildet und das zweite Abbildungsmittel die Fourier-Transformierte
aus der Ebene des ersten Abbildungsmittels in die Betrachterebene
abbildet, wodurch eine rekonstruierte Szene in einem zwischen dem
zweiten Abbildungsmittel und der Betrachterebene liegenden Rekonstruktionsraum wenigstens
einem Betrachter vergrößert dargeboten wird
und durch die vergrößerte Abbildung
des Hologramms der Rekonstruktionsraum in seiner Größe ausgedehnt
wird.
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Erfindungsgemäß wird zur
Rekonstruktion einer Szene mit einer kohärenten oder teilkohärenten Beleuchtung
in einem ersten Schritt in der Ebene des ersten Abbildungsmittels
die Fourier-Transformierte der im Hologramm kodierten Funktion gebildet.
Dem folgt in einem zweiten Schritt die Abbildung des Hologramms
mittels des ersten Abbildungsmittels in eine Ebene unmittelbar vor,
hinter oder in dem zweiten Abbildungsmittel, wodurch das Hologramm
optisch vergrößert wird.
Nach der vergrößerten Abbildung des
Hologramms in die Ebene des zweiten Abbildungsmittels erfolgt in
einem dritten Schritt die Abbildung der Fourier-Transformierten,
welche in der Ebene des ersten Abbildungsmittels vorliegt, über das zweite
Abbildungsmittel in die Betrachterebene und bildet in der Betrachterebene
ein vergrößertes Betrachterfenster.
Der Rekonstruktionsraum, welcher durch das Betrachterfenster und
das zweite Abbildungsmittel bzw. das vergrößerte Hologramm aufgespannt
wird und in welchem die rekonstruierte Szene einem Betrachter oder
mehreren Betrachtern vergrößert dargeboten
wird, ist dementsprechend ebenfalls vergrößert ausgebildet.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen
sich somit zwei – und/oder
dreidimensionale Szenen in hoher Qualität vergrößert in einem großen Rekonstruktionsraum
zur Betrachtung darstellen.
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Der
zur Kodierung des Hologramms verwendete Datenträger kann z.B. ein LCD, ein
OASLM (optisch adressierbarer Lichtmodulator), ein LCoS (Liquid
Crystal on Silicon), ein FLCD (Ferro Electric Crystal Device) oder
ein MEMS (Micro-Electrical-Mechanical-Systems) sein. Das Hologramm kann ein Phasenhologramm,
ein Amplitudenhologramm oder ein Amplituden-Phasenhologramm sein.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgendem
wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert. Dabei
wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Rekonstruktion
mit monochromatischem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung
ist jedoch auch für
farbliche holographische Rekonstruktionen anwendbar, worauf im Ausführungsbeispiel
noch näher
eingegangen wird.
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Die
Figuren zeigen:
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
zur holographischen Rekonstruktion von Szenen mit einem Abbildungssystem;
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2 einen
Ausschnitt der in 1 dargestellten Projektionsvorrichtung
beim Auftreffen einer geneigten ebenen Welle auf eine Hologramm-Matrix;
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3 einen
Ausschnitt der in 1 dargestellten Projektionsvorrichtung
beim Auftreffen einer konvergierenden Welle auf die Hologramm-Matrix;
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4 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
mit einem reflektiven Hologramm und einem Strahlteilerelement;
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5 ein
in der Projektionsvorrichtung enthaltenes Umlenkelement zum Nachführen eines
Betrachterfensters;
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6 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
mit einem Hohlspiegel als zweites Abbildungsmittel; und
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7 die
in 1 dargestellte Projektionsvorrichtung bei Betrachtung
eines einzelnen rekonstruierten Punktes der Szene.
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In 1 ist
die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung
prinzipmäßig dargestellt,
wobei ein Abbildungssystem 3 eine Beleuchtungseinrichtung 1, hier
eine punktförmige
Lichtquelle, in eine Betrachterebene 6 abbildet. Das Abbildungssystem 3 weist
ein erstes Abbildungsmittel 4 und zweites Abbildungsmittel 5 auf.
Die Lichtquelle 1 erzeugt kohärentes oder teilkohärentes Licht,
welches für
eine holographische Rekonstruktion einer Szene gefordert ist. Als Lichtquelle 1 können Laser,
LED(s) oder auch andere Lichtquellen dienen, wobei auch eine Farbfilterung vorgenommen
werden kann.
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Anhand
von 1 wird die Wirkungsweise der Projektionsvorrichtung
beschrieben. Eine von der Lichtquelle 1 ausgesendete Welle
wird mittels einer Kollimatorlinse L zu einer ebenen Welle 7 umgewandelt.
Die somit von der Lichtquelle 1 ausgehende und als eben
angenommene Welle 7 trifft senkrecht auf ein in einer Hologramm-Matrix 8 kodiertes
dynamisches Hologramm 2, z.B. ein CGH, und durchsetzt dieses
derart, dass dabei die Wellenfront der ebenen Welle 7 an äquidistanten
Orten in der Hologramm-Matrix 8 zu
einer gewünschten
Wellenfront kodiert wird.
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In
Strahlrichtung hinter der Hologramm-Matrix 8 ist ein drittes
Abbildungsmittel 9 angeordnet, welches das Hologramm 2 in
ihrer bildseitigen Brennebene 10, auch als Fourierebene
bezeichnet, rekonstruiert. Das dritte Abbildungsmittel 9,
hier eine Linse, die auch vor der Hologramm-Matrix 8 angeordnet
sein kann, erzeugt bei Beleuchtung mit der ebenen Welle 7 in
ihrer bildseitigen Brennebene 10 die Fourier-Transformierte
der in dem Hologramm 2 kodierten Information. Bei dieser
Rekonstruktion entsteht auch ein Phasenterm in Form einer Kugelwelle, welcher
aber für
die Erfindung nicht relevant ist. Bei Beleuchtung des Hologramms 2 mit
nicht ebenen Wellen, z.B. sphärischen
Wellen, verschiebt sich die Brennebene 10 entlang einer
optischen Achse 11.
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Ohne
das dritte Abbildungsmittel 9 könnte nur Licht mit entsprechend
großem
Beugungswinkel das zweite Abbildungsmittel 5 erreichen.
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Das
erste Abbildungsmittel 4 ist in unmittelbarer Nähe der Brennebene 10 des
dritten Abbildungsmittels 9 angeordnet. Dieses Abbildungsmittel 4 bildet
das Hologramm 2 in eine Ebene 12 unmittelbar vor
dem zweiten Abbildungsmittel 5 vergrößert ab. Das zweite Abbildungsmittel 5 ist
hier eine Linse, welche im Vergleich zu den anderen Abbildungsmitteln 4 und 9 wesentlich
größer ausgebildet
ist, um eine möglichst
große
Szene 13 in einem Rekonstruktionsraum (Frustrum) 14 zu
rekonstruieren. Bei der Abbildung des Hologramms 2 in die
Ebene 12 wird gleichzeitig die Fourier-Transformierte mittels des zweiten Abbildungsmittels
in die Betrachterebene 6 abgebildet. Auf diese Weise wird
ein Betrachterfenster 15 gebildet, dessen Ausdehnung der
Abbildung einer Periode der Fourier-Transformierten entspricht. Der
Betrachter oder auch die Betrachter können durch das Betrachterfenster 15 die
rekonstruierte Szene 13 beobachten. Die Rekonstruktion
der Szene 13 entsteht in dem pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsraum 14,
der zwischen den Rändern
des Betrachterfensters 15 und dem zweiten Abbildungsmittel 5 aufgespannt
wird. Der Rekonstruktionsraum 14 kann sich jedoch auch
beliebig weit über
das zweite Abbildungsmittel 5 hinaus erstrecken.
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Aufgrund
der äquidistanten
Abtastung der Information durch das als matrixförmig angenommene Hologramm 2 erzeugt
dieses in der Brennebene 10 des dritten Abbildungsmittels 9 in
periodischer Fortsetzung mehrere Beugungsordnungen. Diese periodische
Wiederholung weist ein proportional zur Auflösung des Hologramms ausgedehntes
Periodizitätsintervall
in der Brennebene 10 auf. Das zweite Abbildungsmittel 5 bildet
dabei die periodische Verteilung in der Brennebene 10 in
die Betrachterebene 6 ab. Bleibt ein Betrachter innerhalb
einer Beugungsordnung in der Betrachterebene 6, so würde er die
rekonstruierte Szene 13 zwar ungestört erkennen, das andere Auge
des Betrachters könnte
aber gleichzeitig die höheren
Beugungsordnungen aufnehmen.
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Für matrixartig
organisierte Hologramme 2, welche eine geringe Auflösung, nämlich Pixelpitch >> λ (Rekonstruktionswellenlänge), aufweisen,
kann der Periodizitätswinkel
in Näherung
durch (λ/pitch)
beschrieben werden, wobei der Pitch dem Abstand der Sampling-Orte
im Hologramm 2 entspricht. Bei einer Wellenlänge von λ = 500 nm
und einem Pitch von 10 μm
in der Hologramm-Matrix 8 würde ein Beugungswinkel von
ca. 1/20 rad erreicht werden. Diesem Winkel entspricht bei einer
Brennweite des dritten Abbildungsmittels 9 von 20 mm eine
laterale Ausdehnung des Periodizitätsintervalls von ca. 2 mm.
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Zur
Unterdrückung
der Periodizität
ist eine Blende 16 in der Brennebene 10 hinter
dem ersten Abbildungsmittel 4 angeordnet, die nur ein Periodizitätsintervall
bzw. nur die gewünschte
Beugungsordnung durchlässt.
Die Blende 16 wird über
das zweite Abbildungsmittel 5 in die Betrachterebene 6 abgebildet
und formt dort das Betrachterfenster 15. Der Vorteil des
Vorhandenseins der Blende 16 in der Projektionsvorrichtung
liegt darin, dass ein Übersprechen weiterer
Perioden auf das andere Auge oder auf Augen eines weiteren Betrachters
verhindert wird.
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Bei
Hologrammen, die keine Periodizität in der Brennebene 10 aufweisen,
wie z.B. in optisch adressierbaren Lichtmodulatoren (OASLM) aufgezeichnete
Hologramme, ist es nicht notwendig die Blende 16 einzusetzen.
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Oft
sind Hologramme matrixförmig
organisiert. Das Fourierspektrum in der Brennebene 10 wird
demnach periodisch fortgesetzt sein. Andererseits kann die dreidimensionale
Szene ein Fourierspektrum aufweisen, das größer als das Periodizitätsintervall
in der Brennebene 10 ist. Dies führt dann zu Überlappungen
der Beugungsordnungen. Die Blende 16 in dieser Brennebene 10 würde dann
einen informationstragenden Teil der genutzten Beugungsordnung abschneiden
und andererseits höhere Beugungsordnungen
passieren lassen. Um diese Effekte zu unterdrücken, kann durch vorhergehende Filterung
die dreidimensionale Szene im Spektrum der Brennebene 10 begrenzt
werden. Die vorhergehende Filterung bzw. die Begrenzung der Bandbreite wird
bereits bei der Berechnung des Hologramms 2 mit berücksichtigt
und mit einberechnet. Somit sind die bandbegrenzten Beugungsordnungen
voneinander getrennt. Die Blende 16 in der Brennebene 10 begrenzt
dann nicht die genutzte Beugungsordnung und lässt auch keine höheren Beugungsordnungen passieren.
Das vorher bedingte Übersprechen
auf das andere Auge oder auf Augen eines weiteren Betrachters wird
unterdrückt
bzw. verhindert.
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Bei
Bewegung der Augen des Betrachters bzw. der Betrachter ist in der
Projektionsvorrichtung zur Nachführung
des Betrachterfensters 15 ein Positionserfassungssystem 17 enthalten,
welches lokale Änderungen
der Augenposition des Betrachters beim Beobachten der rekonstruierten
Szene 13 erfasst. Dementsprechend kann das Betrachterfenster 15 nachgeführt werden.
Weiterhin ist es möglich
die holographische Kodierung der Holgramm-Matrix 8 bei der Änderung
der Augenposition zu aktualisieren. Die rekonstruierte Szene 13 wird
dabei derart umkodiert, dass diese in Abhängigkeit von der Position des Betrachters
in horizontaler, vertikaler und/oder axialer Position horizontal
und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar
wird. Zur Nachführung
des Betrachterfensters 15 entsprechend der Augenposition
weist die Projektionsvorrichtung ein hier in 1 nicht
dargestelltes Ablenkelement auf, welches in 5 näher gezeigt
ist.
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Aufgrund
der mangelnden Auflösung
des Hologramms 2 lässt
das Betrachterfenster 15 nicht die gleichzeitige Betrachtung
der rekonstruierten Szene 13 mit beiden Augen zu. Das andere
Auge des Betrachters kann dann zeitsequentiell in einem weiteren
Betrachterfenster oder gleichzeitig in einem parallelen Strahlengang
angesteuert werden.
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Bei
Verwendung von eindimensionalen Hologrammen kann nur eine eindimensionale
Rekonstruktion stattfinden. Ist das eindimensionale Hologramm vertikal
ausgerichtet, wird die Hologramm-Matrix 8 spaltenweise
rekonstruiert, sofern der vorgesehene Strahlengang in der Projektionsvorrichtung
nicht umgelenkt wird, beispielsweise über einen Spiegel. Bei diesen
vertikal kodierten Hologrammen weist die Fourier-Transformierte in der Brennebene 10 in
nur vertikaler Richtung eine periodische Wiederholung auf. Die das
eindimensionale Hologramm verlassende Lichtwelle dehnt sich entsprechend
in horizontaler Richtung in der Betrachterebene 6 aus.
Bei Verwendung von eindimensionalen Hologrammen ist daher durch
fokussierende optische Elemente, beispielsweise Linsen, eine Fokussierung senkrecht
zur Rekonstruktionsrichtung vorzunehmen.
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2 zeigt
einen Ausschnitt der in 1 dargestellten Projektionsvorrichtung.
Dieser Ausschnitt zeigt die Hologramm-Matrix 8 mit den
Abbildungsmitteln 4 und 9 und der Blende 16.
Anstelle der senkrecht auf das Hologramm 2 auftreffenden
ebenen Welle 7 wie in 1 wird in
diesem Ausführungsbeispiel
eine geneigte ebene Wellenfront 18 verwendet. Dies ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn im Hologramm 2 die
Detour-Phasen-Kodierung
angewendet wird. Bei der Detour-Phasen-Kodierung, also mit einem
reinen Amplitudenhologramm, trifft die geneigte Welle auf benachbarte
Pixel mit äquidistanten Phasen.
Bei geeigneter Wahl der Wellenfront-Neigung stimmen dann beispielsweise
alle dritten Pixel in ihren Phasen überein. Der Einfallswinkel
der ebenen Wellenfront kann auch beliebig gewählt werden. Ist dies der Fall,
wird der Brennpunkt entsprechend in der Brennebene 10 senkrecht
zu der Achse 11 verschoben. Um den Brennpunkt in der Brennebene 10 herum
ist dann die nullte Beugungsordnung angeordnet. Das erste Abbildungsmittel 4 und
die Blende 16 müssen
entsprechend der neuen Lage des Brennpunktes verschoben werden.
Bei Verwendung der Detour-Phasen-Kodierung
blockt man außer
der verwendeten 1. oder –1.
Beugungsordnung alle anderen Beugungsordnungen ab.
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In 3 ist
ebenfalls ein Ausschnitt der in 1 dargestellten
Projektionsvorrichtung gezeigt, wobei zur Rekonstruktion statt der
senkrecht einfallenden ebenen Welle eine konvergierende Welle 19 vorliegt.
Wie hier dargestellt, kann das dritte Abbildungsmittel 9 im
Falle einer konvergenten Beleuchtung entfallen, da die konvergierende
Welle 19 so eingestellt werden kann, dass annähernd bzw.
im Konvergenzpunkt der konvergierenden Welle 19 das erste
Abbildungsmittel 4 angeordnet ist und in der Brennebene 10 die
Rekonstruktion als Fourier-Transformierte des kodierten Hologramms 2 entsteht.
Im Falle einer divergenten einfallenden Welle verschiebt sich der
Konvergenzpunkt entsprechend senkrecht zur optischen Achse 11.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
mit einem reflektiven Hologramm 2 und einem Strahlteilerelement 20.
Das Strahlteilerelement 20 ist zwischen dem dritten Abbildungsmittel 9 und
dem ersten Abbildungsmittel 4 zur Strahlführung der
auftreffenden ebenen Welle 7 angeordnet. Das Strahlteilerelement 20 kann
ein einfacher oder dichroitischer Teilerwürfel, ein halbdurchlässiger Spiegel
oder auch ein anderes Strahleinkopplungsmittel sein.
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Da
das Hologramm 2 in diesem Ausführungsbeispiel ein reflektives
Hologramm ist und somit durch die Reflektion ein doppelter Weg des
Lichtes zurückgelegt
werden muss, ist die Kodierung des Hologramms 2 und die
Brennweite von dem dritten Abbildungsmittel 9 entsprechend
anzupassen. Die Einkopplung der Lichtwelle 7 über einen
dichroitischen Strahlteiler ist bei zeitsequentieller Rekonstruktion der
Szene 13 in den drei Grundfarben RGB (Rot-Grün-Blau)
besonders von Vorteil. Die drei Lichtquellen für die einzelnen Grundfarben
sind in diesem Ausführungsbeispiel
nicht dargestellt. Die Rekonstruktion der Szene erfolgt wie zu 1 beschrieben.
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Eine
Weiterbildung dieses Ausführungsbeispieles
kann darin bestehen, dass für
jede der drei Grundfarben RGB ein getrennter Kanal geschaffen wird,
welcher eine Lichtquelle in einer bestimmten Grundfarbe, ein Hologramm,
Abbildungsmittel 4 und 9 und eine Blende enthält. Auch
hier kann das dritte Abbildungsmittel 9 bei konvergierenden
Wellen der Beleuchtung entfallen. Zur weiterführenden Kombination der Kanäle können ebenfalls
Strahlteilerelemente verwendet werden. Beispielsweise kann zur simultanen
farbigen Rekonstruktion der Szene 13 ein Strahlteilerelement
vorgesehen werden, welches aus vier Einzelprismen mit dichroitischen
Schichten aufgebaut ist. Zwischen den ersten beiden Prismenpaaren
ist ein spektral selektiv reflektierendes und transmittierendes
Schichtsystem eingebettet, welches blaues Licht weitestgehend reflektiert
und grünes und
rotes Licht weitestgehend transmittiert. Zwischen den zweiten beiden
Prismenpaaren ist ein weiteres spektral selektiv reflektierendes
und transmittierendes Schichtsystem eingebettet, welches rotes Licht weitestgehend
reflektiert und grünes
und blaues Licht weitestgehend transmittiert. Die Reflektion und Transmission
der jeweiligen Lichtfarbe hängt
jedoch von der Anordnung der Lichtquellen zu dem Strahlteilerelement
ab. Somit ergeben sich drei Kanäle
für die drei
Grundfarben. Nach Reflektion bzw. Transmission der jeweiligen Lichtstrahlen
bzw. Lichtbündel
werden diese wieder zu weißem
Licht rekombiniert. Auch geometrisch gesehen parallele Anordnungen
der drei Kanäle
sind möglich.
Das zweite Abbildungsmittel 5 kann dabei für alle drei
Kanäle
gemeinsam genutzt werden. Auf diese Weise erfolgt die farbige Rekonstruktion
der Szene simultan. Es ist jedoch auch möglich eine farbige Rekonstruktion
der Szene sequentiell in den drei Grundfarben vorzunehmen.
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Weiterhin
ist möglich,
für jedes
Auge des Betrachters einen Kanal vorzusehen. Dabei enthält wieder
jeder Kanal eine monochromatische Lichtquelle einer Grundfarbe und
ein Hologramm, Abbildungsmittel 4 und 9 sowie
eine Blende. Das zweite Abbildungsmittel 5 kann auch hier
für beide
Kanäle
gemeinsam genutzt werden. Die beiden Kanäle bilden hierbei ihre Betrachterfenster
auf die Augen des Betrachters ab.
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Eine
Kanalisierung für
jedes Auge des Betrachters, wobei jeder Kanal drei weitere Kanäle entsprechend
der drei Grundfarben RGB enthält,
ist ebenfalls möglich.
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Auch
für die
oben erwähnten
Beispiele kann bei Bewegung des Betrachters das Betrachterfenster 15 entsprechend
der Augenposition nachgeführt
werden. In 5 ist prinzipmäßig die
Nachführung
des Betrachterfensters 15 dargestellt. Um die Nachführung des
Betrachterfensters 15 entsprechend dem in der Figur dargestellten
Pfeil in der Betrachterebene 6 durchzuführen, wird die Brennebene 10 mittels
eines Ablenkelements 20, hier ein Polygonspiegel, durch optische
Abbildung in ihrem Ort verändert.
Auf diese Weise wird das Betrachterfenster 15 dem Betrachter nachgeführt.
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Als
Ablenkelemente 20 können
mechanische Ablenkelemente, wie Polygonspiegel, Galvanospiegel,
Prismen, oder auch optische Ablenkelemente, wie steuerbare Gitter
oder andere Beugungselemente, eingesetzt werden.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
mit einem Hohlspiegel 22 anstatt der in 1 gezeigten Linse
als zweites Abbildungsmittel 5. Die Vorgehensweise der
Rekonstruktion entspricht der der zu 1 beschriebenen
Weise. Jedoch bildet hier das erste Abbildungsmittel 4 das
Hologramm 2 nicht in die Ebene 12, sondern in
eine Ebene 23 unmittelbar vor dem Hohlspiegel 22 ab.
Durch die Reflektion der Welle an dem Hohlspiegel 22 wird
das Betrachterfenster 15 in Strahlrichtung nicht hinter
dem Hohlspiegel 22 gebildet, sondern davor. Dementsprechend
wird der Rekonstruktionsraum 14, in dem die rekonstruierte
Szene 13 zu beobachten ist, auch davor, nämlich zwischen
dem Betrachterfenster 15 und dem Hohlspiegel 22,
gebildet.
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Auf
diese Weise lässt
sich eine kompaktere Projektionsvorrichtung schaffen. Ein weiterer
Vorteil der Verwendung des Hohlspiegels 22 liegt in der
besser erreichbaren Aberrationsfreiheit des Hohlspiegels 22 im
Gegensatz zu dem Einsatz einer Linse.
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In 7 ist
die Projektionsvorrichtung gemäß 1 bei
Betrachtung eines rekonstruierten Punktes 24 der Szene 13 dargestellt.
Das relativ große
zweite Abbildungsmittel 5 im Gegensatz zu den beiden Abbildungsmitteln 4 und 9 muss
nur in kleinen Bereichen aberrationsfrei sein. Zum besseren Verständnis wird
der rekonstruierte Punkt 24 der Szene 13 betrachtet.
Der Punkt 24 muss nur innerhalb des Betrachterfensters 15 sichtbar
sein. Die entsprechende Projektion der Randstrahlen auf das zweite Abbildungsmittel 5 ist
dadurch begrenzt. Nur für
derartige Ausdehnungen muss die Abbildung von hoher kohärenter Qualität sein,
wobei alle Punkte der Szene 13 zu berücksichtigen sind.
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An
die Abbildungsmittel 4, 5, 9 und 22,
wie die Linsen oder den Hohlspiegel, werden nur geringe Anforderungen
bezüglich
Aberrationen gestellt. Das Hologramm 2 hingegen muss von
sehr guter Qualität sein.
Aberrationen des dritten Abbildungsmittels 9 können durch
das Hologramm 2 kompensiert werden. Für das erste Abbildungsmittel 4 sollte
nur der Teil möglichst
aberrationsfrei sein, der die verwendete Beugungsordnung umfasst
und der etwa der Öffnung
der Blende 16 entspricht. Da die Krümmung des ersten Abbildungsmittels 4 für diesen
Teil gering ist, sind auch die Aberrationen gering.
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Mögliche Einsatzgebiete
der holographischen Projektionsvorrichtung können Displays für eine zwei-
und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeits-Bereich
sein, wie beispielsweise für
Computer, Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur
Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik,
hier insbesondere für
die minimal-invasive Chirurgie oder die räumliche Darstellung tomographisch
gewonnener Daten oder auch für
die Militärtechnik
zur Darstellung von Geländeprofilen.
Selbstverständlich
kann die vorliegende Projektionsvorrichtung auch in anderen hier
nicht genannten Bereichen eingesetzt werden.