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Die
Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zur holographischen
Rekonstruktion von Szenen mit wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung
und mit wenigstens einer Lichtquelle mit hinreichend kohärentem Licht
zum Erzeugen einer in der Lichtmodulationseinrichtung kodierten
Wellenfront einer Szene. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein
Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen.
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Die
Holographie ermöglicht
die Aufzeichnung und optische Wiedergabe von dreidimensionalen Objekten
mit wellenoptischen Verfahren. Die Rekonstruktion des holographischen
Bildes, oft Rekonstruktion genannt, erfolgt mittels einer Projektionseinrichtung
und je nach Hologrammtyp durch Beleuchten des Trägermediums mit hinreichend
kohärentem Licht.
Das Hologramm kann dabei ein echtes oder computergeneriertes Hologramm
(CGH) sein.
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In
der Regel erfolgt die Betrachtung der Rekonstruktion direkt, indem
der Betrachter z.B. auf das computergenerierte Hologramm schaut,
das aus regulär
angeordneten Pixeln besteht, die entsprechend der Hologrammwerte
kodiert sind. Die Rekonstruktion des CGH ist wegen der diskreten
Aufzeichnung beugungsbedingt nur innerhalb eines Periodizitätsintervalls
möglich,
das durch die Auflösung
des CGH-tragenden
Mediums gegeben ist. In den aneinandergrenzenden Periodizitätsintervallen
wird die Rekonstruktion, meist mit Störungen, wiederholt.
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Als
Aufzeichnungsmedien für
CGHs dienen räumliche
Lichtmodulatoren, wie beispielsweise LCD, LCoS, usw., welche die
Phase und die Amplitude des einfallenden Lichts modulieren. Zur
Rekonstruktion einer zwei- oder dreidimensionalen Szene dienen oft
auch optische Elemente, welche das CGH in die gewünschte Ebene
transformieren. Die Bildrate der Projektionseinrichtung zur Rekonstruktion
der Szene muss ausreichend hoch sein, um eine hohe Bildqualität von bewegten
zwei- oder dreidimensionalen Szenen zu erreichen.
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Aus
der
US 5,172,251 ist
beispielsweise eine Projektionseinrichtung mit einem eindimensionalen Lichtmodulator
zur Darstellung einer rekonstruierten dreidimensionalen Szene bekannt.
Der Lichtmodulator ist ein akusto-optischer Modulator und wird von Modulationssignalen
eines Datenverarbeitungssystems gesteuert, wodurch ein eindimensionales
Hologramm kodiert wird. Die Rekonstruktion wird mittels einzelner
optischer Elemente verkleinert, um den Betrachterwinkel in horizontaler
Richtung zu vergrößern. Ein
horizontaler Scanner fügt
kontinuierlich Teilhologramme der Szene aneinander und gleicht die
Bewegung der Teilhologramme entlang des Modulators aus. Der horizontale
Scanner ist mit der Geschwindigkeit der akustischen Welle synchronisiert, so
dass die abgetasteten Bereiche des Ausgangsbildes aus dem Modulator
in der rekonstruierten Szene feststehend erscheinen. Weiterhin ist
ein vertikaler Scanner vorgesehen, um in vertikaler Richtung die horizontalen
eindimensionalen Hologramme zu positionieren.
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Nachteilig
bei dieser Projektionseinrichtung ist jedoch aufgrund des Einsatzes
eines akusto-optischen Modulator (AOM) die Notwendigkeit von zusätzlichen
Elementen wie der horizontale Scanner zum Ausgleich der Signalbewegung.
Dadurch entsteht eine sehr aufwendige Konstruktion. Ein weiterer Nachteil
wäre die
geringe Apertur des AOM, die eine Aneinanderreihung von Teilhologrammen
erfordert.
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Des
Weiteren sind Lichtmodulatoren wie aus dem Patent Abstracts of Japan
09068674 A bekannt. Dieser Abstract mit der entsprechend dargestellten Zeichnung
beschreibt eine Einrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen
Szene mittels zweier räumlicher
Lichtmodulatoren (SLM). Jeder Lichtmodulator mit dem entsprechenden
Hologramm ist für ein
Auge eines Betrachters bestimmt. Zwischen den Lichtmodulatoren und
dem Betrachter sind ein Linsenelement und ein rotierendes Spiegelelement
angeordnet. Die dreidimensionale Szene entsteht im Bereich bzw.
auf dem rotierenden Spiegelelement. Bei Bewegung des Betrachters
wird diese Bewegung mit einem Positionserfassungssystem erfasst,
und das rotierende Spiegelelement wird entsprechend der neuen Augenposition
des Betrachters um seine horizontale oder vertikale Achse gedreht.
Gleichzeitig wird die Ansicht der dreidimensionalen Szene entsprechend
der neuen Position des Betrachters auf den Hologrammen dargestellt.
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Da
das rotierende Spiegelelement in dieser Projektionseinrichtung als
Bildschirm dient und damit gleichzeitig die Nachführung der
Betrachterfenster erfolgt, ist die Darstellung der dreidimensionalen Szene
durch die Ausdehnung des Elements begrenzt. Außerdem kann durch die Bewegung
des rotierenden Spiegelelements die Darstellung der rekonstruierten
Szene verfälscht
werden, das heißt, dass
die rekonstruierte Szene aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen
anders erscheint. Die Betrachtung der rekonstruierten Szene ist
deshalb unkomfortabel für
den Betrachter. Ferner wird die rekonstruierte Szene durch die relativ
geringe Größe der beiden
Lichtmodulatoren begrenzt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen
zu schaffen, womit die erwähnten
Nachteile des Standes der Technik beseitigt und zwei- oder dreidimensionale
Szenen mit hoher Bildqualität,
auch bei Bewegung eines oder mehrerer Betrachter, dargestellt werden
können,
wobei ein einfacher und kostengünstiger
Aufbau der Projektionsvorrichtung vorgesehen wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch Abbildungsmittel zum Abbilden einer Fourier-Transformierten
des durch die Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der
Lichtquelle auf einen Bildschirm und zum Abbilden der auf der Lichtmodulationseinrichtung
kodierten Wellenfront in wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster
einer Betrachterebene gelöst,
wobei zur Nachführung
des Betrachterfensters entsprechend einer Änderung einer Augenposition
wenigstens eines Betrachters wenigstens ein Ablenkmittel zwischen
der Lichtmodulationseinrichtung und dem Bildschirm enthalten ist.
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Die
erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung
enthält
wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung, welche von einer Beleuchtungseinrichtung mit
einer hinreichend kohärenten
Lichtquelle beleuchtet wird. Die Lichtmodulationseinrichtung ist vorteilhafter
Weise ein räumlicher
Lichtmodulator, insbesondere ein Phasenmodulator. Die Fourier-Transformierte
des durch die Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der
Lichtquelle wird dabei mittels Abbildungsmittel, insbesondere Linsen
und/oder Spiegel, auf ein als Bildschirm dienendes optisches Element
und die auf der Lichtmodulationseinrichtung kodierte Wellenfront
in ein virtuelles Betrachterfenster einer Betrachterebene, von welcher
aus ein oder mehrere Betrachter eine rekonstruierte zwei- oder dreidimensionale Szene
beobachten können,
abgebildet. Virtuelles Betrachterfenster bedeutet hier, dass dies
in der Realität
nicht vorhanden ist. Es ist nur ein gedachtes Fenster vor den Augen
des Betrachters, in welchem die rekonstruierte Szene mit hinreichender
Qualität
beobachtet werden kann. Erfindungsgemäß wird dann bei Bewegung der(s)
Betrachter(s) entsprechend ihrer (seiner) neuen Augenposition(en)
das Betrachterfenster mit wenigstens einem Ablenkmittel nachgeführt. Das
Ablenkmittel ist dabei innerhalb der Projektionsvorrichtung, nämlich zwischen
der Lichtmodulationseinrichtung und dem Bildschirm, angeordnet.
Derartige Ablenkmittel können
mechanische, elektrische, magnetische oder auch optische Elemente,
wie beispielsweise akusto-optische Elemente, sein.
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Auf
diese Weise wird eine holographische Projektionsvorrichtung geschaffen,
mittels welcher eine zwei- oder dreidimensionale Szene einfach und schnell
rekonstruiert werden kann und eine Nachführung des Betrachterfensters
ermöglicht
wird. Dadurch, dass das Ablenkmittel zur Nachführung des Betrachterfensters
innerhalb der Projektionsvorrichtung angeordnet ist, ist dieses
nicht empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Des
Weiteren ist die eingesetzte Lichtmodulationseinrichtung vorteilhafter Weise
ein ausgedehnter räumlicher
Lichtmodulator und kein begrenzter Modulator, wie z.B. ein akusto-optischer
Modulator, wodurch sich zusätzliche
Elemente wie ein horizontaler Scanner aus der
US 5,172,251 und deren Anordnung in
der Projektionsvorrichtung vermeiden lassen. Dadurch ist ein einfacher
und kompakter Aufbau möglich.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der
Abbildungsmaßstab
und die Größe des Bildschirms
so gewählt
sind, dass die periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen der
Fourier-Transformierten außerhalb
des Bildschirms vorliegt. Der Vorteil besteht dann darin, dass die
periodische Fortsetzung der Beugungsordnungen nach außerhalb
des Bildschirms verlagert wird und so auf dem Bildschirm nur eine
Periode dargestellt wird. Dies bedeutet, dass ein Betrachter die
periodische Wiederholung der Rekonstruktion in den Beugungsordnungen
nicht wahrnimmt. Dadurch wird die Wiedergabequalität gegenüber konventionellen Einrichtungen
erhöht.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass
die Lichtmodulationseinrichtung eine eindimensionale Lichtmodulationseinrichtung
ist, wobei zur Erzeugung einer Wellenfront für eine rekonstruierte Szene
ein Ablenkelement enthalten ist, welches eine optische Ablenkung in
Richtung senkrecht zu der eindimensionalen Lichtmodulationseinrichtung
realisiert.
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Wenn
eine eindimensionale räumliche
Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, kann die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung
ein Ablenkelement, vorteilhafter Weise einen Galvanometer-Scanner
(Spiegelgalvanometer) oder einen Polygonspiegel zur schnellen Ablenkung
eines Lichtstrahls, zwecks Erzeugung einer Wellenfront zur Darstellung
einer rekonstruierten Szene, aufweisen. Die Wellenfronten der Spalten
oder Zeilen, je nachdem ob die eindimensionale Lichtmodulationseinrichtung vertikal
oder horizontal angeordnet ist, werden dabei mittels des Ablenkelements
als Folge aneinander gereiht.
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Um
das 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 in der Betrachterebene beim Beobachten
der rekonstruierten Szene enthalten sein.
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Das
Positionserfassungssystem verfolgt Änderungen der Augenposition
des Betrachters wie auch mehrerer Betrachter beim Beobachten der
rekonstruierten Szene und kodiert die Szene entsprechend der Augenposition
der Betrachter. 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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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass wenigstens ein Strahlteilerelement zwischen dem Ablenkmittel
und der Lichtmodulationseinrichtung angeordnet ist, wobei bei Verwendung
einer zweidimensionalen binären
Lichtmodulationseinrichtung das Strahlteilerelement für eine farbige
Rekonstruktion einer Szene und ein weiteres Strahlteilerelement
zur Vervielfältigung
einer aus der Lichtmodulationseinrichtung austretenden Wellenfront
enthalten ist.
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Wenigstens
ein in der Projektionsvorrichtung angeordnetes Strahlteilerelement
kann bei Verwendung einer eindimensionalen oder zweidimensionalen
Lichtmodulationseinrichtung für
eine farbige Rekonstruktion der Szene eingesetzt werden. Bei Verwendung
einer zweidimensionalen binären
Lichtmodulationseinrichtung kann neben dem Strahlteilerelement für die farbige
Rekonstruktion ein weiteres Strahlteilerelement vorgesehen werden,
welches eine aus der Lichtmodulationseinrichtung austretende Wellenfront
vervielfältigt.
Dieses zusätzliche Strahlteilerelement
kann beispielsweise ein Gitter oder ein diffraktives optisches Element
(DOE) sein.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird weiterhin durch ein Verfahren zur holographischen Rekonstruktion
von Szenen gelöst,
wobei eine Fourier-Transformierte
des durch die Lichtmodulationseinrichtung modulierten Lichts der
Lichtquelle auf ein als Bildschirm dienendes optisches Element abgebildet
wird, wobei wenigstens das optische Element die kodierte Wellenfront
in wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster einer Betrachterebene
abbildet, und wobei wenigstens ein Ablenkmittel das Betrachterfenster
nach Änderung
einer Augenposition wenigstens eines Betrachters in der Betrachterebene nachführt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder
dreidimensionalen Szenen Licht einer Beleuchtungseinrichtung, welche
hinreichend kohärentes
Licht aussendet, auf wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung
geleitet. Danach wird die Fourier-Transformierte des durch die Lichtmodulationseinrichtung
modulierten Lichts der Beleuchtungseinrichtung auf einem optischen
Element, insbesondere einem Bildschirm, vorteilhafter Weise einem
Spiegel, abgebildet. Die in der Lichtmodulationseinrichtung kodierte
Wellenfront wird danach mit Hilfe des Bildschirms in ein Betrachterfenster
einer Betrachterebene, durch welches ein Betrachter die rekonstruierte
Szene, vorteilhafter Weise dreidimensional, beobachten kann, abgebildet.
Das Betrachterfenster wird dann bei Änderung einer Augenposition wenigstens
eines Betrachters mit Hilfe eines Ablenkmittels in der Betrachterebene
nachgeführt.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die rekonstruierte zweidimensionale und/oder
dreidimensionale Szene in einem großen Rekonstruktionsbereich
mit einer hohen Bildqualität
dargestellt werden kann. Des Weiteren ermöglicht das Verfahren eine Bewegung
der Betrachter in der Betrachterebene, so dass die rekonstruierte
Szene nicht nur an einem festen Ort vor dem Bildschirm beobachtet
werden kann. Somit ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, eine
rekonstruierte ausgedehnte dreidimensionale Szene mit realer Tiefedarstellung
anstelle von einer Tiefendarstellung eines bekannten autostereoskopischen Displays
mit Parallaxebildern wenigstens einem Betrachter auch bei einem
Positionswechsel darzustellen. Dadurch, dass die Wellenfront direkt
moduliert wird, fällt
die rechnerische Transformation in ein Hologramm weg. Außerdem ist
zu einer Berechnung der modulierten Wellenfront nur eine Fresnel-Transformation des
Objekts in das Betrachterfenster notwendig und nicht wie bei im
Stand der Technik bekannten Projektionseinrichtungen eine zusätzliche
Fourier-Transformation
der Objektwellenfront in das Hologramm.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die rekonstruierte Szene in der nullten Beugungsordnung
rekonstruiert wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da in der nullten
Beugungsordnung die Helligkeit am größten ist.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden
wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert. Dabei
wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Rekonstruktion
mit monochromatischem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung
ist jedoch auch für
farbige holographische Rekonstruktionen anwendbar, worauf in den
jeweiligen Ausführungsbeispielen
noch näher
eingegangen wird.
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Die
Figuren zeigen:
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen holographischen
Projektionsvorrichtung mit einer eindimensionalen Lichtmodulationseinrichtung
zur Rekonstruktion von dreidimensionalen Szenen in der Draufsicht;
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus der in 1 dargestellten Projektionsvorrichtung;
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3 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
für wenigstens
zwei Betrachter einer rekonstruierten Szene in der Draufsicht;
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4 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
mit einer zweidimensionalen binären
Lichtmodulationseinrichtung in der Draufsicht;
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5 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
mit einer zweidimensionalen Lichtmodulationseinrichtung in der Draufsicht;
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6 eine
vereinfachte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung
gemäß 5 in
der Draufsicht;
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7 eine
weitere Möglichkeit
der Ausgestaltung der Projektionsvorrichtung gemäß 5 in der
Draufsicht;
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1 zeigt
eine prinzipmäßig dargestellte holographische
Projektionsvorrichtung 1 zur Rekonstruktion von zweidimensionalen
und/oder dreidimensionalen Szenen in der Draufsicht. Zum besseren Verständnis ist
die holographische Projektionsvorrichtung 1 in der 1 und
in den nachfolgenden Figuren vereinfacht als transmissive Vorrichtung
dargestellt. Im nachfolgenden wird zunächst der Grundaufbau der holographischen
Projektionsvorrichtung 1 beschrieben. Die Projektionsvorrichtung 1 weist
eine Lichtmodulationseinrichtung 2, hier ein Phasenmodulator,
welche eine einfallende Wellenfront moduliert, auf. Wie in diesem
Ausführungsbeispiel
erkennbar, ist die Lichtmodulationseinrichtung 2 eine eindimensionale
Lichtmodulationseinrichtung, welche hier vertikal angeordnet ist.
Sie kann selbstverständlich auch
horizontal angeordnet sein. Die Lichtmodulationseinrichtung 2 wird
von einer Beleuchtungseinrichtung 3 mit einer Lichtquelle 4,
welche hinreichend kohärentes
Licht aussendet und eine Linienlichtquelle darstellt, beleuchtet.
Unter hinreichend kohärentem Licht
wird hier Licht verstanden, welches interferenzfähig für die holographische Darstellung
einer dreidimensionalen Szene ist. Als Lichtquelle 4 der
Beleuchtungseinrichtung 3 können Laserdioden, DPSS-Laser
(Diode Pumped Solid-State-Laser) oder auch andere Laser eingesetzt
werden. Auch Lichtquellen mit hinreichender Kohärenz können eingesetzt werden. Jedoch
sollten derartige Lichtquellen gefiltert werden, um einen erforderlichen
Kohärenzgrad
zu erreichen. Die holographische Projektionsvorrichtung 1 enthält weiterhin
Abbildungsmittel, insbesondere ein optisches System 5.
Dieses optische System 5 weist als einfachstes System ein
Abbildungsmittel 6 und ein als Bildschirm dienendes optisches
Element 7 auf. Das optische Element 7 wird im nachfolgenden
als Bildschirm bezeichnet. Selbstverständlich kann das optische System 5 auch
weitere optische Elemente aufweisen, wie beispielsweise in den nachfolgenden
Ausführungen
ersichtlich und beschrieben. Der Bildschirm 7 ist vorteilhaft
als Spiegel, insbesondere als Konkavspiegel, ausgeführt. Selbstverständlich kann
der Bildschirm 7 auch ein anderes abbildendes, optisches
Element, beispielsweise eine Linse, wie hier dargestellt, sein.
Ist der Bildschirm 7 ein Konkavspiegel, so besteht der
Vorteil, dass die Ausdehnung des optischen Aufbaus der holographischen
Projektionsvorrichtung 1 im Vergleich zu einer transmissiven
Vorrichtung mit ausschließlich
Linsen wesentlich reduziert wird. Der Bildschirm 7 sollte
jedoch keine streuende Oberfläche
aufweisen, damit eine von der Lichtmodulationseinrichtung 2 ausgehende
Wellenfront 8 nicht zerstört wird. Das Abbildungsmittel 6 ist
ebenfalls als Spiegel oder Linse ausgeführt. Eine von der Lichtquelle 4 ausgehende und
als eben angenommene Welle W trifft auf die Lichtmodulationseinrichtung 2 und
wird derart moduliert, dass dabei die Wellenfront der ebenen Welle
W an äquidistanten
Orten in der Lichtmodulationseinrichtung 2 zu einer gewünschten
Wellenfront 8 kodiert wird. Diese Wellenfront 8 wird
zur Rekonstruktion einer zwei-/dreidimensionalen Szene durch Linsenelemente 13 und 14 auf
ein Ablenkelement 9 abgebildet. Ein derartiges Ablenkelement 9 kann
ein Galvanometer-Scanner, ein Piezo-Scanner, ein Resonanz-Scanner,
eine Mikrospiegelanordnung, ein Polygonspiegel oder eine ähnliche
Einrichtung, wie beispielsweise akusto-optische, elektro-optische oder
auch magnetische Einrichtung, sein. Das Ablenkelement 9 bewirkt
eine optische Ablenkung der Wellenfront 8 in Richtung senkrecht
zu der Lichtmodulationseinrichtung 2, um eine zweidimensionale Wellenfront 10 zu
bilden bzw. zu erzeugen. Die zweidimensionale Wellenfront 10 wird
durch die Ablenkung aus einer Folge von parallel zueinander angeordneten
eindimensionalen Wellenfronten 10', 10'' und 10''' usw.
gebildet. Das optische System 5 bildet danach die zweidimensionale
Wellenfront 10 in ein virtuelles Betrachterfenster 11 einer
Betrachterebene 12 ab, in welchem sich ein Auge eines Betrachters zum
Beobachten der rekonstruierten Szene befindet. Das hinreichend kohärente Licht
der Lichtquelle 4 wird dabei gleichzeitig auf dem Bildschirm 7 abgebildet.
Zwischen den Linsenelementen 13 und 14 in der bildseitigen
Brennebene des Linsenelements 13 entsteht dabei eine Fourier-Transformierte
FT der in der Wellenfront kodierten Information. Das Abbildungsmittel 6 des
optischen Systems 5 bildet dann die Fourier-Transformierte
FT auf eine Ebene 15 auf dem Bildschirm 7 ab.
Die rekonstruierte Szene kann dann von dem Betrachter in einem vergrößerten Rekonstruktionsbereich 16,
welcher sich kegelstumpfförmig zwischen
dem Betrachterfenster 11 und dem Bildschirm 7 aufspannt,
betrachtet werden. Die rekonstruierte Szene kann dabei vor, auf
oder hinter dem Bildschirm 7 entstehen.
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Die
Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene erfolgt dabei in der
nullten Beugungsordnung. Dies ist besonders vorteilhaft, da in der
nullten Beugungsordnung die Helligkeit bzw. die Intensität des Lichts
am größten ist.
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Es
ist auch möglich,
das Ablenkelement 9 direkt in die Lichtmodulationseinrichtung 2 zu
integrieren. Dies bedeutet, dass die Lichtmodulationseinrichtung 2 zur
Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront 10 als ganzes
System bewegt wird. Die Linsenelemente 13 und 14 können in
diesem Fall entfallen. Die Lichtmodulationseinrichtung 2 ist
dann im Bereich des Ablenkelements 9, also in der objektseitigen
Brennebene des Abbildungsmittels 6 angeordnet. Ein Strahlteilerelement 22 zur
farbigen Rekonstruktion der Szene kann demzufolge beispielsweise zwischen
der Lichtmodulationseinrichtung 2 und dem Abbildungsmittel 6 positioniert
werden. Auf diese Weise kann die holographische Projektionsvorrichtung 1 im
Gesamtaufbau kompakter gestaltet werden.
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Zusätzlich können aber
dennoch im Strahlengang der holographischen Projektionsvorrichtung 1 die
Linsenelemente 13 und 14 angeordnet sein. Die Linsenelemente 13 und 14 weisen,
wie hier an den einzelnen Brennweiten erkennbar, zur Reduzierung von
Abbildungsfehlern gleiche Brechkraft auf. Jedoch können die
Linsenelemente 13 und 14 auch unterschiedliche
Brechkraft bzw. Brennweiten aufweisen, um die Größe der eindimensionalen Wellenfront 8 auf
dem Ablenkelement 9 zu verändern bzw. zu optimieren. Die
Linsenelemente 13 und 14 weisen einen weiteren
Vorteil in diesem Fall auf. Sie sorgen dann dafür, dass die von der Lichtmodulationseinrichtung 2 ausgehende
Wellenfront 8 auf das Ablenkelement 9 zur Erzeugung
der zweidimensionalen Wellenfront 10 abgebildet wird. Zur
Abbildung der Wellenfront 8 auf das Ablenkelement 9 kann
ein afokales System, durch die Linsenelemente 13 und 14 dargestellt,
eingesetzt werden. In der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 13 entsteht
dabei die Fourier-Transformierte
FT der Wellenfront 8. Mittels des Linsenelementes 14 und
des Abbildungsmittels 6 wird die Fourier-Transformierte
FT auf dem Bildschirm 7 abgebildet.
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Das
Ablenkelement 9 kann aber auch zwischen der Lichtquelle 4 und
der Lichtmodulationseinrichtung 2 angeordnet sein. Dies
hat den Vorteil, dass dadurch Fehler bei der Kodierung der zweidimensionalen
Wellenfront 10 weitestgehend verhindert bzw. reduziert
werden, da die auf die Lichtmodulationseinrichtung 2 auftreffende
ebene Wellenfront W noch nicht kodiert ist.
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Die
hier dargestellte Projektionsvorrichtung 1 weist außerdem ein
Positionserfassungssystem 17 zur Bestimmung einer Augenposition
eines Betrachters in der Betrachterebene 12 auf. Das Positionserfassungssystem 17 kann
beispielsweise eine Kamera sein. Zur Nachführung des Betrachterfensters 11 bei
der Änderung
der Augenposition des Betrachters ist ein Ablenkmittel 18 zwischen
dem Abbildungsmittel 6 und dem Bildschirm 7, insbesondere
in der bildseitigen Brennebene des Abbildungsmittels 6,
angeordnet. Das Ablenkmittel 18 ist individuell ansteuerbar
und vorteilhaft als Spiegel ausgeführt. Zum Nachführen des Betrachterfensters 11 wird
ein sehr präzise
arbeitendes Ablenkmittel benötigt.
Aus diesem Grunde kann das Ablenkmittel 18 beispielsweise
ein Galvanometer-Scanner sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere
Ablenkmittel, wie z.B. MEMS-Anordnungen,
Polygonscanner oder eine akusto-optische Anordnung, zu verwenden.
Ebenso kann das Ablenkmittel 18 in wenigstens einer der Richtungen
horizontal oder/oder vertikal ablenken. Das heißt, dass das Ablenkmittel 18 bei
eindimensionaler Ausführung
entweder nur horizontal oder nur vertikal das Betrachterfenster 11 nachführt. Bei
einer zweidimensionalen Ausführung
des Ablenkmittels 18 kann das Betrachterfenster 11 in
beiden Richtungen, horizontal und vertikal, nachgeführt werden.
Dazu kann das Ablenkmittel 18 als xy-Galvanometer-Scanner ausgeführt sein,
oder es ist auch möglich,
zwei hintereinander angeordnete Galvanometer-Scanner, einen für eine horizontale
und einen für
eine vertikale Nachführung,
einzusetzen. Das Ablenkelement 9 muss zur Nachführung des
Betrachterfensters 11 mit dem Ablenkmittel 18 synchronisiert
sein. Es ist weiterhin ein dem Ablenkmittel 18 in Lichtrichtung
nachgeschaltetes zweites Abbildungsmittel 19 vorgesehen.
Da die Vergrößerung zur
Abbildung der Fourier-Transformierten FT auf dem Bildschirm 7 sehr groß sein muss,
kann das zweite Abbildungsmittel 19 anstatt als Linse auch
als ein Linsensystem zur Reduzierung von Abbildungsfehlern ausgeführt sein.
Ist kein zweites Abbildungsmittel 19 vorgesehen, dann muss
das Abbildungsmittel 6 als Linse oder Linsensystem ausgebildet
sein.
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Im
nachfolgenden wird die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene
anhand dieses Ausführungsbeispiels
detaillierter beschrieben. Die von der Lichtquelle 4 ausgesandte
Wellenfront W trifft zur Modulation auf die Lichtmodulationseinrichtung 2, wodurch
die Wellenfront W moduliert wird. Danach tritt die modulierte Wellenfront 8 durch
die Linsenelemente 13 und 14 und wird von diesen
auf das Ablenkelement 9 abgebildet. Gleichzeitig entsteht
mittels des Linsenelements 13 die Fourier-Transformierte FT der
Wellenfront 8 in der bildseitigen Brennebene des Linsenelements 13.
Nach der Bildung der zweidimensionalen Wellenfront 10 trifft
diese nach Durchtritt durch das Abbildungsmittel 6 auf
das Ablenkmittel 18. Bei Bewegung des Betrachters in der
Betrachterebene 12 kann über das Positionserfassungssystem 17 diese
Bewegung detektiert werden. Zur Nachführung des Betrachterfensters 11 kann
dann mit dem Positionserfassungssystem 17 das Ablenkmittel 18 gesteuert
werden. Mittels der Abbildungsmittel 6 und 19 entsteht dabei
in einer Brennebene 20 des zweiten Abbildungsmittels 19 ein
Bild der zweidimensionalen Wellenfront 10. Dieses zweidimensionale Bild
in der Brennebene 20 wird dann über den Bildschirm 7 in
das Betrachterfenster 11 abgebildet. Gleichzeitig entsteht
in einer bildseitigen Brennebene 21 des Abbildungsmittels 6 die
Abbildung der Fourier-Transformierten FT. Das zweite Abbildungsmittel 19 bildet
dann die Abbildung der Fourier-Transformierten FT auf den Bildschirm 7 ab.
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Die
oben beschriebene holographische Projektionsvorrichtung 1 wurde
nur für
ein Auge eines Betrachters dargestellt und beschrieben. Für ein Augenpaar
des Betrachters ist es sinnvoll, eine zweite Lichtmodulationseinrichtung 2 vorzusehen.
Die optischen Elemente der bestehenden holographischen Projektionsvorrichtung 1 können weiter
benutzt werden. Befindet sich der Betrachter nun in der Betrachterebene 12 und
blickt durch das Betrachterfenster 11, so kann er die rekonstruierte
dreidimensionale Szene im Rekonstruktionsbereich 16 beobachten, wobei
die rekonstruierte dreidimensionale Szene in Lichtrichtung vor,
auf oder hinter dem Bildschirm 7 entsteht. Es ist aber
auch möglich,
nur mit einer einzigen Lichtmodulationseinrichtung einem Augenpaar des
Betrachters die rekonstruierte Szene darzustellen, wobei die Lichtformeinrichtung 2 horizontal
angeordnet ist.
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Eine
farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene ist mit der holographischen
Projektionsvorrichtung 1 ebenfalls möglich. Dafür ist in 1 ein
Strahlteilerelement 22, insbesondere ein Prismenblock,
in Strahlrichtung vor dem Abbildungsmittel 6 vorgesehen.
Das Strahlteilerelement 22, welches hier vorteilhaft als
X-Prisma mit dichroitischen Schichten ausgeführt ist, splittet rotes, grünes und blaues
Licht in drei separate Wellenfronten auf bzw. fügt diese zu einer gemeinsamen
modulierten Wellenfront zusammen. Es ist selbstverständlich auch möglich, ein
anderes Strahlteilerelement zur farbigen Rekonstruktion einzusetzen.
Die farbige Rekonstruktion der Szene erfolgt dabei simultan in den
drei Grundfarben RGB (rot-grün-blau).
Das Strahlteilerelement 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel
zwischen den Linsenelementen 13 und 14 angeordnet, wobei
es selbstverständlich
auch an anderer Position in der holographischen Projektionsvorrichtung 1 angeordnet
sein kann.
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In 2 ist
ein vergrößerter Ausschnitt
des Strahlteilerelementes 22 von 1 dargestellt.
Dabei werden zur simultanen farbigen Rekonstruktion der dreidimensionalen
Szene drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G und 2B für jede der
drei Grundfarben RGB vorgesehen. Die drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G und 2B werden
von drei Lichtquellen 4R, 4G und 4B beleuchtet.
Das Strahlteilerelement 22 führt nach der Modulation von einzelnen
zugehörigen
Wellenfronten 8R, 8G und 8B an den Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G und 2B diese
zur Weiterführung
auf das Linsenelement 14 zusammen. Es ist ebenfalls möglich, dass
nur eine Lichtquelle, insbesondere eine Weißlichtquelle, zur farbigen
Rekonstruktion eingesetzt wird. Dabei wird auch hier das Strahlteilerelement 22 zwischen den
Linsenelementen 13 und 14 angeordnet. Zwischen
dem Strahlteilerelement 22 und dem Linsenelement 14 ist
jedoch ein halbdurchlässiger
Spiegel angeordnet. Zur Beleuchtung der drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G, 2B und
Modulation der Wellenfronten wird das Licht der Lichtquelle auf
den halbdurchlässigen
Spiegel gelenkt und von dort mittels des Strahlteilerelements 22 auf
die drei Lichtmodulationseinrichtungen 2R, 2G, 2B geleitet,
wobei das Strahlteilerelement 22 das Licht in die drei
monochromatischen Wellenfronten 8R, 8G, 8B aufsplittet. Ferner
ist es auch möglich,
zur farbigen Rekonstruktion nicht drei, sondern nur eine einzige
Lichtformeinrichtung vorzusehen, wobei diese Möglichkeit nicht dargestellt
ist. Diese Lichtformeinrichtung kann mit einer Lichtquelle, welche
drei verschiedenfarbige Leuchtdioden (LED) oder eine Weißlicht-LED
aufweist, beleuchtet werden. Zusätzlich
wird jedoch noch wenigstens ein optisches Element, beispielsweise
ein akusto-optisches Element benötigt,
welches zum Beispiel die Wellenfronten in einem unterschiedlichen
Einfallswinkel auf die Lichtformeinrichtung sendet.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
holographischen Projektionsvorrichtung 1 dargestellt, wobei
hier der Aufbau grundsätzlich
dem Aufbau der Projektionsvorrichtung 1 gemäß 1 entspricht.
Deshalb weisen auch hier gleiche Teile gleiche Bezugszeichen auf.
Die hier gezeigte holographische Projektionsvorrichtung 1 ist
im Gegensatz zu der 1 für mehrere Betrachter vorgesehen.
Dazu sind in diesem Ausführungsbeispiel
zur Vereinfachung der Darstellung nur die Strahlengänge für zwei Betrachter
und jeweils nur eine eindimensionale Wellenfront pro Betrachter
dargestellt. Grundsätzlich können aber auch
mehr als zwei Betrachter die rekonstruierte dreidimensionale Szene
beobachten. Das Betrachterfenster mit dem Endbuchstaben R steht
für das
rechte Auge und die Betrachterfenster mit den Endbuchstaben L für jeweils
das linke Auge eines Betrachters. Zur Darstellung der rekonstruierten
dreidimensionalen Szene sind hier zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 in
der holographischen Projektionsvorrichtung 1 enthalten.
Diese zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden von jeweils
einer Beleuchtungseinrichtung 3 mit wenigstens einer Lichtquelle 4 beleuchtet.
Die Lichtquellen 4 sind dabei unabhängig voneinander und weisen
unterschiedliche Lichteinfallswinkel auf. Die Anzahl der Lichtquellen 4 pro
Lichtmodulationseinrichtung 2 ist dabei abhängig von
der Anzahl der Betrachter der rekonstruierten Szene und wird durch
diese bestimmt. Für
zwei oder mehrere Betrachter wird eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 für jeweils
das gleiche Betrachterfenster, das heißt jeweils für die rechten Augen
oder jeweils für
die linken Augen der Betrachter, genutzt. Die Lichtquellen 4 beleuchten
mit hinreichend kohärentem
Licht in unterschiedlichen Einfallswinkeln die Lichtmodulationseinrichtung 2.
Die Einfallswinkel des Lichts der Lichtquellen 4 für die Betrachterfenster 11R und 11L des
Augenpaares eines Betrachters sind dabei nahezu gleich. Das heißt, dass
der Einfallswinkel der Lichtquellen 4 zur Erzeugung von
modulierten Wellenfronten 8L und 23L für die Betrachtertenster 11L und 24L verschieden
sind. Der Bildschirm 7, das Ablenkelement 9, die
Linsenelemente 13 und 14 sowie die Abbildungsmittel 6 und 19 können für beide
Lichtmodulationseinrichtungen 2 verwendet werden.
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Im
Unterschied zu 1 sind zur Nachführung von
wenigstens zwei, hier drei, Betrachterfenstern 11R, 11L und 24L entsprechend
der jeweiligen Augenposition der Betrachter zwei Ablenkmittel 18 vorgesehen.
Die Anzahl der Ablenkmittel 18 ist dabei von der Anzahl
der Betrachter abhängig.
Dies bedeutet, dass pro Betrachter nur ein Ablenkmittel 18 für beide
Augen, hier Betrachterfenster 11R und 11L, verwendet
wird. In Strahlrichtung hinter den Ablenkmitteln 18 ist
das zweite Abbildungsmittel 19 in Verbindung mit einem
Fokussierelement 25 angeordnet. Das zweite Abbildungsmittel 19 ist
hier als zur Kollimation der Wellenfronten 10R und 10L dienendes Lentikular
ausgeführt,
wobei beide Wellenfronten 10R und 10L für das linke
und rechte Auge durch ein dem Ablenkmittel 18 zugeordnetes
Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 19 geführt werden.
Das Fokussierelement 25 dient nach Durchtritt der beiden
Wellenfronten 10R und 10L durch das entsprechende Lentikel
des zweiten Abbildungsmittels 19 zur Überlappung und Fokussierung
der Fourier-Transformierten
FT auf dem Bildschirm 7. Ein weiteres Ablenkmittel 18 ist
zur Nachführung
des Betrachterfensters 24L für eine zweidimensionale Wellenfront 26L vorgesehen.
Zur Reduzierung von Abbildungsfehlern kann das Fokussierelement 25 durch
eine komplexere Anordnung von Linsen ersetzt werden. Beispielsweise kann
das Fokussierelement 25 als Achromat ausgebildet sein.
Es besteht auch die Möglichkeit,
das zweite Abbildungsmittel 19 und das Fokussierelement 25 beispielsweise
als einzelnes Lentikular in der Projektionsvorrichtung 1 vorzusehen.
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Die
rekonstruierte dreidimensionale Szene entsteht hier wie bereits
unter 1 beschrieben, außer dass in diesem Ausführungsbeispiel
die holographische Projektionsvorrichtung 1 für mehrere
Betrachter vorgesehen ist und deshalb die Nachführung der Betrachterfenster 11R, 11L und 24L über mehrere
Ablenkmittel 18 geschieht. Mit der hier dargestellten holographischen
Projektionsvorrichtung 1 wird ermöglicht, drei Betrachterfenster
gleichzeitig zu bedienen.
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Anstatt
Lichtquellen 4 zu nutzen, welche hinreichend kohärentes Licht
aussenden, das unter verschiedenen Einfallswinkeln jeweils auf die
Lichtmodulationseinrichtungen 2 trifft, ist es auch möglich, eine
einzige Lichtquelle 4 für
jede Lichtmodulationseinrichtung 2 vorzusehen. Die Vervielfältigung der
Wellenfronten geschieht dann nach der Modulation in der Lichtmodulationseinrichtung 2.
Dies kann beispielsweise im Bereich des Ablenkelements 9 mit Hilfe
eines Gitterelementes vorgenommen werden. Der Vorteil dieser Lösung besteht
darin, dass Phasendefekte von Wellenfronten der einzelnen Lichtquellen 4 auf
die Lichtmodulationseinrichtungen 2 korrigiert werden können.
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Bezüglich der 1 und 3 kann
das Ablenkmittel 18, welches als Spiegel bzw. Spiegelanordnung,
insbesondere als Galvanometer-Scanner ausgebildet ist, mit einer
lichtstreuenden Schicht versehen sein. Das Ablenkmittel 18 kann
somit als Spiegel ausgeführt
sein, der in horizontaler Richtung streut. Die lichtstreuende Schicht
kann dabei z.B. als Folie ausgeführt
sein. Die Ausbreitung des gestreuten Lichts muss senkrecht zu der
eindimensionalen Wellenfront erfolgen. Da die Kohärenz bei
einer holographischen Rekonstruktion wesentlich ist, darf diese nicht durch
Einbringung einer lichtstreuenden Schicht gestört werden. Dadurch ist es jedoch
möglich,
eine Ausdehnung bzw. Vergrößerung der
Betrachterfenster 11, 11R, 11L, 24L in
nicht-kohärenter Richtung
zu erreichen, wobei die Betrachterfenster 11, 11R, 11L, 24L in
der anderen Richtung durch die Ausdehnung der Beugungsordnungen
begrenzt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtmodulationseinrichtung 2 horizontal
angeordnet ist. Auf diese Weise kann in vertikaler, nicht-kohärenter Richtung eine
Aufweitung der einzelnen Betrachterfenster 11, 11R, 11L, 24L ermöglicht werden.
Deshalb ist es bei dieser Anordnung der Lichtmodulationseinrichtung 2 nicht
mehr notwendig, die Betrachterfenster 11, 11R, 11L, 24L entsprechend
der vertikalen Position des Betrachters vertikal nachzuführen, da
die Betrachterfenster 11, 11R, 11L, 24L in
dieser Richtung eine große
Ausdehnung aufweisen. Es besteht auch die Möglichkeit die lichtstreuende
Schicht auf dem Bildschirm 7 aufzubringen, welcher dann
nicht nur zur Abbildung und Darstellung dient, sondern auch die
Fourier-Transformierte der Wellenfront in nicht-kohärenter
Richtung streut.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten
für das zeitliche
Multiplexing der Zeilen bzw. Spalten der modulierten Wellenfront 8 bei
der Realisierung von zweidimensionalen Wellenfronten eines Teilbildes
der rekonstruierten dreidimensionalen Szene für jeweils zwei oder mehrere
Betrachter durch das Ablenkelement 9 im Zusammenspiel mit
der eindimensionalen Lichtmodulationseinrichtung 2 und/oder
dem Ablenkmittel 18. Es wird die zweidimensionale Wellenfront eines
Teilbildes erst für
einen Betrachter und dann für einen
anderen Betrachter vollständig
aufgebaut. Weiterhin ist es möglich,
dass die den einzelnen Betrachtern zugehörigen Zeilen bzw. Spalten der
modulierten Wellenfront eines Teilbildes abwechselnd nacheinander
dargestellt werden.
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Die
Ausführungsbeispiele
der Erfindung gemäß den 1, 2 und 3 beziehen
sich immer auf wenigstens eine eindimensionale Lichtmodulationseinrichtung 2 zur
Modulation wenigstens einer einfallenden Wellenfront. Die Erfindung
kann aber auch mit zweidimensional ausgeführten Lichtmodulationseinrichtungen
realisiert werden. Diese Ausführungsformen
der Projektionsvorrichtung 1 werden nachfolgend in den 4, 5, 6 und 7 beschrieben.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
holographischen Projektionsvorrichtung 1 in der Draufsicht
dargestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel
ist die Projektionsvorrichtung 1 für mehrere Betrachter in der
Betrachterebene 12 vorgesehen. In Unterschied zu den 1 und 3 ist
hier die Lichtmodulationseinrichtung 2 als zweidimensionale binäre Lichtmodulationseinrichtung 2 ausgeführt. Bei derartigen
Lichtmodulationseinrichtungen 2 ist die modulierte Wellenfront
binär kodiert.
Da die Wiedergabe der Wellenfront sehr ungenau ist, werden mehrere
unterschiedliche Wellenfronten für
eine rekonstruierte Szene überlagert.
Ein Ablenkelement, welches zur Erzeugung einer zweidimensionalen
Wellenfront dient, ist hier nicht mehr notwendig.
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Anstatt
des Ablenkelementes 9 der 1 und 3 ist
ein Strahlteilerelement 27, welches neben dem Strahlteilerelement 22,
das zur Aufteilung des Lichts in seine Spektralkomponenten oder
zur Zusammenführung
vorgesehen ist, zur Vervielfältigung
jeweils einer aus den Lichtmodulationseinrichtungen 2 austretenden
Wellenfront 8R und 8L in der Projektionsvorrichtung 1 enthalten.
Dieses Strahlteilerelement 27 ist vorteilhafter Weise in
der bildseitigen Brennebene des Linsenelements 14 und dem Abbildungsmittel 6 angeordnet
und kann beispielsweise als Gitter oder diffraktives optisches Element (DOE),
insbesondere als konfigurierbares DOE, ausgeführt sein. Es ist auch möglich anstelle
des Strahlteilerelements 27 für jede Lichtmodulationseinrichtung 2 mehrere
Lichtquellen 4 in Abhängigkeit von
der Anzahl der Betrachter in der Betrachterebene 12 vorzusehen.
Das Licht der Lichtquellen 4 sollte dann jeweils unter
verschiedenen Einfallswinkeln auf die Lichtmodulationseinrichtung 2 treffen.
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Zur
Rekonstruktion der Szene für
drei dargestellte Betrachter sind zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 in
der Projektionsvorrichtung 1 enthalten, wobei eine Lichtmodulationseinrichtung 2 für jeweils das
rechte Auge der Betrachter und die andere Lichtmodulationseinrichtung 2 für jeweils
das linke Auge der Betrachter vorgesehen sind. Die beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden
jeweils von einer Beleuchtungseinrichtung 3 mit einer Lichtquelle 4 beleuchtet.
Deren Licht wird dabei derart moduliert, dass die ebenen Wellen
W an äquidistanten
Orten in der Lichtmodulationseinrichtung 2 zu jeweils einer gewünschten
Wellenfront 8R und 8L kodiert werden. Diese Wellenfronten 8R und 8L werden
dann über die
Linsenelemente 13 und 14 auf das Strahlteilerelement 27 zur
Vervielfältigung
in mehrere Wellenfronten 81R, 82R, 83R und 81L, 82L, 83L abgebildet. Gleichzeitig
entstehen zwischen den Linsenelementen 13 und 14,
vorteilhaft in der Brennebene des Linsenelementes 13, die
Fourier-Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L.
Die Fourier-Transformierten FT werden danach über das Linsenelement 14 und
das Abbildungsmittel 6 in die Brennebene 21 des Abbildungsmittels 6 im
Bereich von drei Ablenkmitteln 18 abgebildet. Die Wellenfronten 81R, 82R, 83R und 81L, 82L, 83L werden
dabei mittels der Abbildungsmittel 6 und 19 und
dem Fokussierelement 25 in die gemeinsame Brennebene 20 des
zweiten Abbildungsmittels 19 und des Fokussierelements 25 abgebildet,
wobei diese danach über
den Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11R, 11L, 24R, 24L, 28R und 28L auf
die Augen der drei Betrachter abgebildet werden. Gleichzeitig werden
die Bilder der Fourier-Transformierten
FT von der Brennebene 21 über das zweite Abbildungsmittel 19 und
das Fokussierelement 25 auf dem Bildschirm 7 abgebildet.
Die Anzahl der Ablenkmittel 18 ist auch hier von der Anzahl der
Betrachter abhängig.
Dies bedeutet, dass pro Betrachter nur ein Ablenkmittel 18 für beide
Augen, hier Betrachterfenster 15R und 15L, verwendet
wird. Auch hier wird in der nullten Beugungsordnung die dreidimensionale
Szene rekonstruiert. Bei Bewegung der Betrachter in der Betrachterebene 12 detektiert auch
hier das Positionserfassungssystem 17 die Änderung
der Positionen der Augen und steuert die Ablenkmittel 18 derart,
dass die Betrachterfenster 11R, 11L, 24R, 24L, 28R und 28L in
Richtung der neuen Position der Augen der Betrachter nachgeführt werden.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend
dem oben beschriebenen Beispiel mittels des Strahlteilerelementes 22 erfolgen.
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Anstatt
zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 zu verwenden, kann
auch nur eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 zur
Rekonstruktion der Szene für
einen oder mehrere Betrachter vorgesehen sein. Dementsprechend ist
dann auch nur eine einzige Lichtquelle zur Beleuchtung der Lichtmodulationseinrichtung 2 notwendig.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Projektionsvorrichtung 1 in der Draufsicht dargestellt,
wobei nur ein Betrachter dargestellt ist. Grundsätzlich können auch mehrere Betrachter
die rekonstruierte Szene beobachten. Die hier verwendeten Lichtmodulationseinrichtungen 2 sind
ebenfalls zweidimensionale Lichtmodulationseinrichtungen, welche aber
im Gegensatz zu binären
Lichtmodulationseinrichtungen eine mehrwertige Kodierung erlauben
und somit direkt mit nur einem Bild eine bessere Wiedergabe der
Wellenfronten durch die Wiedergabe von z.B. mehreren Phasenwerten
erzielen. Auf diese Weise kann somit die Projektionsvorrichtung 1 im Gegensatz
zu den 1, 3 und 4 in vereinfachter
Form aufgebaut werden. Ein Ablenkelement 9 sowie ein Strahlteilerelement 27 sind
nicht mehr notwendig. Ebenso kann jetzt zur Nachführung der Betrachterfenster 11R und 11L oder
auch mehrerer Betrachterfenster nur ein einziges Ablenkmittel 18 dienen.
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Zur
Rekonstruktion der vorteilhaft dreidimensionalen Szene sind für das rechte
Auge und für
das linke Auge je eine Lichtmodulationseinrichtung 2 vorgesehen.
Diese beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden von
den zwei Lichtquellen 4 der Beleuchtungseinrichtungen 3 mit
hinreichend kohärentem
Licht beleuchtet. Auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 treffen
die ebenen Wellen W, welche zu den gewünschten Wellenfronten 8R und 8L kodiert werden.
Die Wellenfronten 8R und 8L werden dann über die
Linsenelemente 13 und 14 auf eine bildseitige
Brennebene 29, welche zwischen dem Linsenelement 14 und
dem Abbildungsmittel 6 entsteht, abgebildet. Gleichzeitig
entstehen zwischen den Linsenelementen 13 und 14 in
der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 13 die
Fourier-Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L.
Die Fourier-Transformierten FT werden danach über das Linsenelement 14 und
das Abbildungsmittel 6 in die Brennebene 21 abgebildet.
Die Wellenfronten 8R und 8L werden danach mittels
der Abbildungsmittel 6 und 19 in die Brennebene 20 abgebildet,
wobei diese danach über
den Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11R und 11L auf
die Augen des Betrachters abgebildet werden. Gleichzeitig werden
die Bilder der Fourier-Transformierten FT von der Brennebene 21 über das
zweite Abbildungsmittel 19 auf dem Bildschirm 7 abgebildet.
Die Wellenfronten 8R und 8L für das rechte und das linke
Betrachterfenster 11R und 11L werden hier gleichzeitig
abgebildet. Auch hier wird in der nullten Beugungsordnung die dreidimensionale Szene
rekonstruiert. Bei Bewegung des Betrachters in der Betrachterebene 12 detektiert
das Positionserfassungssystem 17 die Änderung der Positionen der Augen
und steuert das Ablenkmittel 18 derart, dass die Betrachterfenster 11R und 11L in
Richtung der neuen Position der Augen des Betrachters nachgeführt werden.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann auch
hier entsprechend dem oben beschriebenen Beispiel mittels des Strahlteilerelementes 22 erfolgen.
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Befinden
sich mehrere Betrachter in der Betrachterebene 12, so werden
die rechte und die linke Wellenfront für die Betrachterfenster 11R und 11L gleichzeitig
erst einem Betrachter und dann dem nächsten Betrachter dargestellt.
Danach wird die nächste
Wellenfront wieder erst dem einen Betrachter und dann dem nächsten Betrachter
usw. dargestellt. Weiterhin ist es auch möglich die entsprechende Wellenfront
für das
Betrachterfenster 11R des rechten Auges nacheinander allen
Betrachtern und danach die entsprechende Wellenfront für das Betrachterfenster 11L des
linken Auges nacheinander allen Betrachtern darzustellen. Zur Darstellung
der nächsten
rekonstruierten Szene wird entsprechend vorgegangen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist es somit auch möglich,
eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 für beide
Augen des Betrachters vorzusehen. Ist dies der Fall werden die beiden
Betrachterfenster 11R und 11L, wie oben erwähnt, abwechselnd
bedient. Für
mehrere Betrachter werden erst alle rechten Betrachterfenster 11R,...
und danach alle linken Betrachterfenster 11L,... oder umgekehrt
bedient.
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Die 6 zeigt
eine Vereinfachung der Projektionsvorrichtung 1 gemäß 5,
wobei auch hier nur ein Betrachter dargestellt ist. Grundsätzlich können auch
mehrere Betrachter vorhanden sein. Die hier verwendeten Lichtmodulationseinrichtungen 2 sind
ebenso zweidimensionale Lichtmodulationseinrichtungen, wie bereits
unter 5 erwähnt.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel
ist zur Nachführung
der Betrachterfenster 11R und 11L oder auch mehrerer Betrachterfenster
nur ein einziges Ablenkmittel 18 vorgesehen. Wenn gemäß 5 das
Linsenelement 14 und das Abbildungsmittel 6 zusammen
ein afokales System bilden, dann können diese optischen Elemente,
wie in 6 dargestellt, entfallen. Dadurch kann eine sehr
vereinfachte Projektionsvorrichtung 1 geschaffen werden,
wobei jedoch eine Korrektion von Abbildungsfehlern, z.B. der chromatischen
Aberration, erschwert wird.
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Zur
Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene sind auch hier für das rechte
Auge und für
das linke Auge je eine Lichtmodulationseinrichtung 2 vorgesehen.
Diese beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden von
den zwei Lichtquellen 4 der Beleuchtungseinrichtungen 3 mit
hinreichend kohärentem
Licht beleuchtet. Auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 treffen
die Wellen W, welche zu den gewünschten
Wellenfronten 8R und 8L kodiert werden. Die Wellenfronten 8R und 8L werden
dann über
das Linsenelement 13 und das zweite Abbildungsmittel 19 in
die Brennebene 20 abgebildet, wobei diese danach über den
Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11R und 11L auf
die Augen des Betrachters abgebildet werden. Gleichzeitig entstehen
zwischen dem Linsenelement 13 und dem zweiten Abbildungsmittel 19,
nämlich
im Bereich des Ablenkmittels 18, in der Brennebene 21 des
Linsenelementes 13 die Fourier-Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L. Die
Fourier-Transformierten FT werden danach über das zweite Abbildungsmittel 19 auf
dem Bildschirm 7 abgebildet. Die Wellenfronten 8R und 8L werden
auf das rechte und linke Betrachterfenster 11R und 11L gleichzeitig
abgebildet. Auch hier wird in der nullten Beugungsordnung die dreidimensionale
Szene rekonstruiert. Bewegt sich der Betrachter in der Betrachterebene 12,
so detektiert das Positionserfassungssystem 17 die Änderung
der Positionen der Augen des Betrachters und steuert das Ablenkmittel 18 derart,
dass die Betrachterfenster 11R und 11L in Richtung
der neuen Position der Augen des Betrachters nachgeführt werden.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend dem
oben beschriebenen Beispiel mittels des Strahlteilerelementes 22 erfolgen.
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Anstatt
zwei Lichtmodulationseinrichtungen 2 zu verwenden, kann
auch hier nur eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 zur
Rekonstruktion der Szene für
einen oder mehrere Betrachter vorgesehen sein. Dementsprechend ist
dann auch nur eine einzige Lichtquelle zur Beleuchtung der Lichtmodulationseinrichtung 2 notwendig.
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Befinden
sich mehrere Betrachter in der Betrachterebene 12, so werden
gemäß 5 die
rechte und die linke Wellenfront gleichzeitig erst einem Betrachter
und dann dem nächsten
Betrachter mittels des Ablenkelements 18 dargestellt. Danach
wird die nächste
Wellenfront wieder erst dem einen Betrachter und dann dem nächsten Betrachter
usw. dargestellt. Es ist aber ebenso auch möglich, wie bereits oben erwähnt, die
entsprechende Wellenfront für
das rechte Betrachterfenster 11R nacheinander allen Betrachtern
und danach die entsprechende Wellenfront für das linke Betrachterfenster 11L nacheinander
allen Betrachtern darzustellen. Zur Darstellung der nächsten rekonstruierten
Szene wird entsprechend vorgegangen.
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Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
ist es möglich,
eine einzige Lichtmodulationseinrichtung 2 für beide
Augen des Betrachters, wie in 5 beschrieben,
vorzusehen, wobei die Betrachterfenster 11R und 11L nacheinander
bedient werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Projektionsvorrichtung 1 zeigt 7, wobei
die Projektionsvorrichtung 1 nur für einen Betrachter dargestellt
ist. Es ist jedoch selbstverständlich
möglich,
diese auch für
mehrere Betrachter vorzusehen. Die dargestellten Lichtmodulationseinrichtungen 2 können eindimensionale,
zweidimensionale oder zweidimensionale binäre Lichtmodulationseinrichtungen
sein. Sollten die Lichtmodulationseinrichtungen 2 eindimensional ausgeführt werden,
so sind zwei Ablenkelemente 9, wie in den 1 und 3 dargestellt,
vorzusehen. Bei Einsatz von zweidimensionalen binären Lichtmodulationseinrichtungen
ist es von großem
Vorteil, wenn die Lichtmodulationseinrichtungen 2 derart schnell
sind, dass mehrere Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten
können.
Ist dies nicht der Fall kann jedoch nur ein Betrachter die rekonstruierte Szene
beobachten. In diesem Ausführungsbeispiel ist,
wie in den 5 und 6 dargestellt,
zur Nachführung
der Betrachterfenster 11R und 11L oder auch mehrerer
Betrachterfenster nur ein einziges Ablenkmittel 18 vorgesehen.
Die Abbildungselemente dieser Projektionsvorrichtung 1 weisen
verglichen mit der Projektionsvorrichtung 1 gemäß der 5 und 6 eine
kleinere numerische Apertur (NA) auf, wodurch weniger Aberrationen
auftreten. Da die Linsenelemente 13, 14 und das
Strahlteilerelement 22 doppelt, nämlich für jede Lichtmodulationseinrichtung 2 bzw.
für jedes
Auge des Betrachters, vorhanden sind, und dadurch die Abbildung
der Wellenfronten W im ersten Teil der Projektionsvorrichtung 1 unabhängig voneinander
geschieht, können
beispielsweise Justagefehler einzeln für jedes Auge korrigiert werden.
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Die
dreidimensionale Szene wird mit Hilfe von je einer Lichtmodulationseinrichtung 2 für das rechte
Auge und für
das linke Auge rekonstruiert. Diese beiden Lichtmodulationseinrichtungen 2 werden
von den zwei Lichtquellen 4 der Beleuchtungseinrichtungen 3 mit
hinreichend kohärentem
Licht beleuchtet. Auf die Lichtmodulationseinrichtungen 2 treffen
die Wellenfronten W, welche derart moduliert werden, dass die gewünschten
Wellenfronten 8R und 8L entstehen. Die Wellenfronten 8R und 8L sind
in diesem Ausführungsbeispiel
nur jeweils durch zwei Strahlen, also als halbe Wellenfronten, dargestellt. Die
Wellenfront 8R wird danach über die Linsenelemente 13 und 14 auf
eine bildseitige Brennebene 30 des Linsenelements 14 abgebildet.
In der Brennebene 30 ist ein Umlenkelement 31,
welches als Umlenkspiegel ausgeführt
und nicht bewegbar ist, angeordnet. Das Umlenkelement 31 reflektiert
die Wellenfront 8R in die gewünschte Richtung. Die Wellenfront 8L wird
ebenso wie die Wellenfront 8R über die Linseelemente 13 und 14 abgebildet,
allerdings hier in eine Brennebene 32. Gleichzeitig entstehen
jeweils zwischen den Linsenelementen 13 und 14 in
der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 13 die
Fourier-Transformierten FT der Wellenfronten 8R und 8L. Die
beiden Fourier-Transformierten FT werden danach über die Linsenelemente 14 und
das Abbildungsmittel 6 in die Brennebene 21 abgebildet.
Die Wellenfronten 8R und 8L werden danach mittels
der Abbildungsmittel 6 und 19 in die Brennebene 20 abgebildet,
wobei diese danach über
den Bildschirm 7 in die Betrachterfenster 11R und 11L auf
die Augen des Betrachters abgebildet werden. Gleichzeitig werden
die Bilder der Fourier-Transformierten FT von der Brennebene 21 über das
zweite Abbildungsmittel 19 auf dem Bildschirm 7 abgebildet.
Die Wellenfronten 8R und 8L für das rechte und das linke
Betrachterfenster 11R und 11L werden gleichzeitig
abgebildet. Die dreidimensionale Szene wird in der nullten Beugungsordnung
rekonstruiert. Zur Nachführung
der Betrachterfenster 11R und 11L in der Betrachterebene 12 detektiert
das Positionserfassungssystem 17 die Änderung der Positionen der
Augen bei Bewegung des Betrachters. Das Positionserfassungssystem übernimmt
auch die Aufgabe der Steuerung des Ablenkmittels 18 und
steuert dieses derart, dass die Betrachterfenster 11R und 11L in
Richtung der neuen Position der Augen des Betrachters nachgeführt werden.
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Zur
Darstellung der rekonstruierten Szene bzw. Szenen für mehrere
Betrachter in der Betrachterebene 12, wird die rechte und
die linke Wellenfront gleichzeitig erst einem Betrachter und dann
dem nächsten
Betrachter dargestellt. Danach wird die nächste Wellenfront wieder erst
dem einen Betrachter und dann dem nächsten Betrachter usw. dargestellt.
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Eine
farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend
den oben beschriebenen Beispielen mittels zwei Strahlteilerelemente 22 erfolgen,
welche jeweils zwischen den Linsenelementen 13 und 14 angeordnet
sein können. Selbstverständlich können sie
auch an anderer Stelle in der Projektionsvorrichtung 1 angeordnet
sein. Die Projektionsvorrichtung 1 gemäß 7 kann auch derart
ausgeführt
sein, dass ungefaltete Strahlengänge
vorliegen.
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Die
Beleuchtungseinrichtungen 3 mit den Lichtquellen 4 können auch
an beliebigen Orten in der Projektionsvorrichtung 1 angeordnet
werden. Wenn beispielsweise die Lichtmodulationseinrichtung 2 nicht
transmissiv sondern reflektiv ausgeführt ist, dann kann die Beleuchtungseinrichtung 3 jeweils derart
angeordnet sein, dass die jeweilige ausgesandte Wellenfront W über ein
Ablenkelement, z.B. ein Umlenkspiegel oder ein halbdurchlässiger Spiegel,
zu der entsprechenden Lichtmodulationseinrichtung 2 geführt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtquelle 4 auf eine Fourierebene
abgebildet wird, wobei das Ablenkelement in der Fourierebene angeordnet ist.
Dabei kann zwischen dem Ablenkelement und der Lichtmodulationseinrichtung 2 wenigstens
ein optisches Element, wie Linse, Spiegel oder ähnliches, vorgesehen sein.
Ein derartiges Ablenkelement kann beispielsweise bezogen auf 7 im
Bereich des Ablenkmittels 18 oder am Ort des Strahlteilerelements 22 angeordnet
sein, wobei das Strahlteilerelement 22 dann vor oder hinter
dem Ablenkelement oder auch an anderer Stelle in der Projektionsvorrichtung 1 vorgesehen
sein kann. Auf diese Weise kann die Projektionsvorrichtung 1 kompakter
im Aufbau gestaltet werden.
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Die
Lichtquellen 4 aller Ausführungsbeispiele können auch
durch eine hier nicht dargestellte primäre Lichtquelle mit Hilfe von
wenigstens einem optischen Element erzeugt werden.
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Für alle Ausführungsbeispiele
ist es ebenso auch möglich,
die rekonstruierte Szene anstatt in der nullten Beugungsordnung
auch in einer anderen Beugungsordnung, z.B. in der 1. oder -1. Beugungsordnung,
darzustellen.
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Mögliche Einsatzgebiete
der holographischen Projektionsvorrichtung 1 können Displays
für eine
zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich
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
beispielsweise zur Darstellung von Geländeprofilen. Selbstverständlich kann
die vorliegende Projektionsvorrichtung 1 auch in anderen,
hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden.