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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Selektieren von Licht wenigstens
einer Beugungsordnung, welches von einer ein Hologramm aufweisenden
Lichtmodulationseinrichtung nach einer Modulation ausgeht, wobei
das Licht einen von dem Hologramm nicht abgelenkten und wenigstens
einen gebeugten Strahl aufweist.
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In
der Holographie bei der Rekonstruktion von zwei- und/oder dreidimensionalen
Szenen wird das verwendete Licht mittels einer Lichtmodulationseinrichtung,
welche ein Hologramm aufweist, moduliert. Beispielsweise weist im
Fall der Burckhardt-Kodierung
ein modulierter Lichtstrahl drei Komponenten auf: Licht nullter
Beugungsordnung und Licht 1. und –1. Beugungsordnung. Das Licht
nullter Beugungsordnung ist nicht gebeugt, breitet sich in Richtung
des einfallenden Strahles aus und enthält keine Information über Szene.
Licht 1. bzw. –1.
Beugungsordnung ist gebeugtes Licht und rekonstruiert die Szene.
Ferner gibt es Komponenten höherer Beugungsordnungen,
welche normalerweise einen kleinen Teil des gebeugten Lichts darstellen.
Unerwünschte
Beugungsordnungen jedoch führen
zu Mehrfachrekonstruktionen, welche sich möglicherweise überlappen
können
und somit sich auf einen Betrachter negativ auswirken. Diese störenden Mehrfachrekonstruktionen
müssen
daher durch Ausfilterung von Beugungsordnungen beseitigt werden. Dazu
wurden bereits Blenden vorgeschlagen, welche jedoch eine Zwischenabbildung
erfordern. Außerdem können die
Blenden vom Betrachter als störend
empfunden werden, da sie sich zwischen der Lichtmodulationseinrichtung
und dem Betrachter befinden. Des Weiteren ist es auch möglich, die
Augen des Betrachters in Bereichen vorzusehen, in denen keine unerwünschten
Beugungsordnungen sichtbar sind.
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Zur
Eliminierung der nullten Beugungsordnung wurde beispielsweise in
der
US 4,810,047 ein optisches
System vorgeschlagen, welches eine holographische Linse, einen Polarisationsrotator
und einen Polarisationsfilter aufweist. Die holographische Linse
wird dabei derart mit einem Rekonstruktionsstrahl beleuchtet, dass
sie einen fokussierten Lichtstrahl entlang der optischen Achse der
Linse und auch einen Lichtstrahl nullter Beugungsordnung durchlässt. Die
beiden Lichtstrahlen fallen auf den Polarisationsrotator, wobei
der fokussierte Lichtstrahl unter einem anderen Winkel als der Lichtstrahl
nullter Beugungsordnung auf den Polarisationsrotator trifft. Dies
bewirkt, dass der Lichtstrahl nullter Beugungsordnung und der fokussierte
Lichtstrahl unterschiedliche Polarisationszustände bzw. Polarisationsrichtungen
aufweisen. Der dem Polarisationsrotator nachgeschaltete Polarisationsfilter
weist die Eigenschaft auf, dass er nur den fokussierten Lichtstrahl passieren
lässt und
den Lichtstrahl nullter Beugungsordnung schwächt bzw. abblockt.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Eliminierung der nullten Beugungsordnung beschreibt die
US 6,091,521 . Die Einrichtung
weist neben der Lichtmodulationseinrichtung holographische optische
Elemente (HOE) zum Ablenken eines Lichtstrahls einer der beiden
ersten Beugungsordnungen (1. oder –1. Beugungsordnung) auf, so
dass die Lichtstrahlen der ersten Beugungsordnungen von dem Lichtstrahl
nullter Beugungsordnung getrennt werden können. Die Einrichtung weist
drei HOEs auf, welche feste Beugungseigenschaften für die drei
Grundfarben Rot, Grün
und Blau besitzen. Für
jedes Lichtbündel,
welches von den Pixeln der Lichtmodulationseinrichtung kommt, sind
die HOEs holographisch so ausgestaltet, dass sie einen Lichtstrahl
nur einer der beiden ersten Beugungsordnungen derart ablenken, dass sich
der abgelenkte Lichtstrahl erster Beugungsordnung in dieselbe Richtung
ausbreitet wie der andere nicht abgelenkte Lichtstrahl erster Beugungsordnung.
Der Lichtstrahl nullter Beugungsordnung trifft ohne Ablenkung auf
eine Lichtfalle, mittels derer der Lichtstrahl absorbiert wird.
Auf diese Weise werden die Lichtstrahlen erster Beugungsordnung
von dem Lichtstrahl nullter Beugungsordnung getrennt.
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Jedoch
besteht bei dieser Einrichtung zur Eliminierung der nullten Beugungsordnung
der Nachteil, dass aufgrund der kleinen Beugungswinkel der Lichtmodulationseinrichtung
der Abstand zwischen der Lichtmodulationseinrichtung und der Lichtfalle groß ist. Dadurch
ist die Einrichtung in ihrem Aufbau sehr ausgedehnt, wodurch ein
Einsatz in Videoprojektoren bzw. Fernseheinrichtungen erschwert
wird.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Eliminierung
von Licht wenigstens einer Beugungsordnung zu schaffen, welche insbesondere bei
einer holographischen Rekonstruktion einer Szene Mehrfachwiederholungen
der rekonstruierten Szene verhindert, einfach herstellbar ist und
einen kompakten Aufbau aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass wenigstens ein konfigurierbares winkelselektives optisches
Element vorgesehen ist, wobei das winkelselektive optische Element
das Licht von Beugungsordnungen selektiert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Selektion bzw. Eliminierung von Licht wenigstens einer Beugungsordnung
weist neben einer Lichtmodulationseinrichtung wenigstens ein winkelselektives
optisches Element auf. In der Lichtmodulationseinrichtung ist ein
kodiertes Hologramm enthalten, mittels welchem das auf die Lichtmodulationseinrichtung einfallende
Licht entsprechend einer Szene moduliert wird. Dieses modulierte
Licht weist dabei einen von dem Hologramm nicht abgelenkten Strahl
und wenigstens einen gebeugten Strahl auf. Das somit modulierte
Licht, welches mehrere Beugungsordnungen aufweist, fällt auf
das winkelselektive optische Element. Das winkelselektive optische
Element wird so bezeichnet, weil es in einer Ebene in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
angeordnet ist, in welcher die Beugungsordnungen unter einem Winkel
voneinander getrennt sind. In einer derartigen Ebene wird das Licht
der gewünschten
oder ungewünschten
Beugungsordnungen mittels des winkelselektiven optischen Elements
selektiert. Vorteilhafterweise werden die gewünschten oder ungewünschten
Beugungsordnungen sequentiell selektiert. Das winkelselektive optische
Element ist außerdem
konfigurierbar ausgestaltet.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen
sich somit Mehrfachwiederholungen der rekonstruierten Szene verhindern
bzw. abschwächen. Dadurch
können
ein oder mehrere Betrachter eine rekonstruierte Szene, insbesondere
eine dreidimensionale rekonstruierte Szene, störungsfrei und mit dementsprechend
guter Qualität
beobachten. Außerdem
liegt ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem geringen
Platzbedarf im Vergleich zu der
US
6,091,521 , wodurch die Vorrichtung vorteilhaft in Videoprojektoren, Fernseheinrichtungen,
Telekommunikationseinrichtungen oder ähnliche raumbegrenzte Einrichtungen
einsetzbar ist. Ferner ist es durch die Konfigurierbarkeit des winkelselektiven
optischen Elements möglich,
einen Winkelbereich der Lichtmodulationseinrichtung zu vergrößern, wodurch
die rekonstruierte Szene vergrößert dargeboten
werden kann. Dies ist insbesondere in Verbindung mit konventionellen
Lichtmodulationseinrichtungen erreichbar.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das winkelselektive optische Element zwei teilreflektierende
Schichten, zwischen denen eine transparente Schicht, vorteilhafterweise
eine Schicht aus Flüssigkristallen,
angeordnet ist, aufweist. Durch die Schicht speziell aus Flüssigkristallen
ist es möglich,
das winkelselektive optische Element konfigurierbar zu gestalten
bzw. an den gewünschten
Zustand anzupassen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass der gebeugte Strahl innerhalb der Schicht aus Flüssigkristallen
oder transparentem Schicht jeweils an den teilreflektierenden Schichten
mehrfach reflektiert, wobei die reflektierten Strahlen destruktiv
interferieren. Zwischen den teilreflektierenden Schichten treten
Mehrfachreflexionen der Lichtstrahlen auf. Abhängig von der optischen Dicke
der transparenten Schicht bzw. der Schicht aus Flüssigkristallen
und von dem Winkel, mit dem ein Lichtstrahl auf das winkelselektive optische
Element trifft, ist die Interferenz der Lichtstrahlen konstruktiv
oder destruktiv. Da sich die Beugungsordnungen in diesem Winkel
unterscheiden, wird durch Wahl der optischen Dicke festgelegt, welche
Beugungsordnungen transmittiert bzw. ausgelöscht werden. Die optische Dicke
der Schicht aus Flüssigkristallen
oder transparentem Schicht und die Reflektivität der teilreflektierenden Schichten
bestimmen die Filtercharakteristik des winkelselektiven optischen
Elements, d.h. den Winkelbereich der Transmission bzw. Auslöschung und
die Filtersteilheit. Durch geeignete Wahl dieser Parameter können periodische
Wiederholungen der Szene vermieden werden. Auf diese Weise kann
beispielsweise ungewünschtes
Licht einer Beugungsordnung ausgelöscht und somit eliminiert.
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Zur
Veränderung
der Filtercharakteristik kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen
sein, dass wenigstens zwei winkelselektive optische Elemente vorgesehen
sind, wobei die zwei winkelselektiven optischen Elemente unterschiedliche
optische Dicken der transparenten Schicht oder der Schicht aus Flüssigkristallen und/oder
unterschiedliche Reflexionskoeffizienten der teilreflektierenden
Schichten aufweisen. Eine bessere Realisierung einer gewünschten
Filtercharakteristik ist durch Kombination mehrerer winkelselektiver
optischer Elemente möglich.
Die winkelselektiven optischen Elemente können sich in der optischen
Dicke und der Reflektivität
unterscheiden, sodass durch Multiplikation der unterschiedlichen
Filtercharakteristika der gewünschte
Winkelbereich der Transmission bzw. Auslöschung und die Filtersteilheit
realisiert wird. Somit ist eine gezielte Transmission bzw. Auslöschung von
Beugungsordnungen möglich.
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Es
ist auch möglich
das winkelselektive optische Element aus einem doppelbrechenden
Material zu realisieren, wobei zur Eliminierung einer ungewünschten
Beugungsordnung ein Polarisationsfilter vorgesehen 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 teilweisen holographischen
Rekonstruktion mit monochromatischem Licht beschrieben. Der Gegenstand
der Erfindung ist jedoch auch unter Einsatz von farbigem Licht 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 Vorrichtung
mit einem winkelselektiven optischen Element zur Eliminierung von
Licht einer Beugungsordnung;
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2 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer ersten möglichen
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen winkelselektiven
optischen Elements; und
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3 eine
zweite Möglichkeit
der Ausgestaltung des winkelselektiven optischen Elements.
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Bei
der holographischen Rekonstruktion von Szenen kommt es zu periodischen
Wiederholungen der rekonstruierten Szene, da die Objektinformation in
Pixeln der Lichtmodulationseinrichtung kodiert wird. Das somit durch
die Pixel modulierte und gebeugte Licht interferiert und erzeugt
Maxima und Minima der Intensitäten
in bestimmte Richtungen von der Lichtmodulationseinrichtung aus.
Eines der Maxima, im allgemeinen in Richtung der einfallenden Strahlen,
ist das Hauptmaximum und wird als nullte Beugungsordnung bezeichnet.
Die jeweils beidseitig benachbarten Maxima werden als 1. bzw. –1. Beugungsordnung
bezeichnet. Entsprechend sind die weiteren benachbarten Maxima höherer Beugungsordnung
definiert. Diese somit auftretenden periodischen Wiederholungen
bei der holographischen Rekonstruktion von Szenen können auf
einen Betrachter der rekonstruierten Szene störend wirken.
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Es
hängt von
der Charakteristik der verwendeten Lichtmodulationseinrichtung ab,
welche Beugungsordnung für
die holographische Rekonstruktion einer Szene verwendet wird. Im
Fall einer Phasenmodulation wird hierfür üblicherweise die nullte Beugungsordnung
verwendet, im Fall einer Amplitudenmodulation üblicherweise die 1. bzw. –1 Beugungsordnung.
Die folgenden Ausführungsbeispiele
beziehen sich auf eine Rekonstruktion in der nullten Beugungsordnung,
sind jedoch auch auf andere Beugungsordnungen anwendbar.
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In 1 ist
daher eine Vorrichtung zur Eliminierung von ungewünschtem
Licht wenigstens einer Beugungsordnung dargestellt. Die Vorrichtung
weist eine Beleuchtungseinrichtung 1, eine Lichtmodulationseinrichtung 2 und
ein winkelselektives optisches Element 3 auf. Die Beleuchtungseinrichtung 1 und die
Lichtmodulationseinrichtung 2 können jeweils verschiedene Typen
von Beleuchtungseinrichtungen bzw. Lichtmodulationseinrichtungen
vorsehen. In den aufgeführten
Ausführungsbeispielen
wird keine Festlegung auf einen speziellen Ausführungstyp vorgenommen. Eine
derartige Vorrichtung kann beispielsweise in einer Projektionseinrichtung
zur holographischen Rekonstruktion von insbesondere dreidimensionalen
Szenen eingesetzt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich die
Vorrichtung in anderen Einrichtungen, in welchen ungewünschtes
Licht beseitigt werden soll, einzusetzen. Aus der Lichtmodulationseinrichtung 3 tritt
gebeugtes und ungebeugtes Licht nach der Modulation aus. Die unterschiedlichen Beugungsordnungen
unterscheiden sich dabei in ihren Beugungswinkeln, d.h., dass Licht 1.
Beugungsordnung unter einem anderen Winkel aus der Lichtmodulationseinrichtung 2 austritt
als beispielsweise Licht nullter Beugungsordnung oder Licht 2.
Beugungsordnung. In der 1 sind nur die nullte, die 1. und
die –1.
Beugungsordnung dargestellt. Bei einer Beleuchtung mit parallelem
Licht besitzt das Licht in der nullten Beugungsordnung eine Richtung
von 0°, wobei
das Licht in der 1. Beugungsordnung und der –1. Beugungsordnung jeweils
andere Richtungen aufweist bzw. sich unter einem anderen Winkel
in Richtung des winkelselektiven optischen Elements 3 ausbreitet.
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Wie
in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt, treffen die Lichtstrahlen nullter Beugungsordnung,
1. Beugungsordnung und –1.
Beugungsordnung nach der Lichtmodulationseinrichtung 2 auf
das winkelselektive optische Element 3. Dieses winkelselektive
optische Element 3 ist dabei derart ausgeführt, dass
es das Licht nullter Beugungsordnung hindurchlässt und das Licht der 1. Beugungsordnung und
der –1.
Beugungsordnung absorbiert. Es ist ebenfalls möglich, das Licht der 1. Beugungsordnung und
der –1.
Beugungsordnung mittels des winkelselektiven optischen Elements 3 zu
reflektieren und beispielsweise zur Eliminierung zu einer Lichtfalle
zu lenken. Auf diese Weise lassen sich somit Lichtstrahlen 1.
Beugungsordnung und Lichtstrahlen –1. Beugungsordnung eliminieren
bzw. auslöschen.
Selbstverständlich
kann auch auf diese Weise Licht nullter Beugungsordnung oder auch
Licht höherer
Beugungsordnungen eliminiert werden. Das winkelselektive optische
Element 3 ist jedoch derart konzipiert, dass es nur Licht
einer Beugungsordnung transmittiert bzw. durchlässt. Dies bedeutet, dass zur
Eliminierung von Licht anderer Beugungsordnungen jeweils ein weiteres,
anders konzipiertes winkelselektives optisches Element notwendig
ist. Um jedoch diesen erheblichen Aufwand zu vermeiden, ist es auch möglich, das
winkelselektive optische Element 3 je nach Eliminierung
von ungewünschtem
Licht wenigstens einer Beugungsordnung zu einer optischen Achse 4 der
Vorrichtung entsprechend zu neigen.
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Das
winkelselektive optische Element 3 kann beispielsweise
als Filter ausgeführt
sein, wobei es speziell als Bandpass, Hochpass oder Tiefpass gefertigt
werden kann.
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Durch
die Charakteristik des winkelselektiven optischen Elements 3 können Lichtstrahlen
bestimmter Beugungsordnungen gezielt ausgewählt, ausgelöscht oder auch abgelenkt werden.
Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die gewünschte Charakteristik des winkelselektiven
optischen Elements 3 durch Kombination mehrerer einzelner
winkelselektiver optischer Elemente 3 mit jeweils unterschiedlicher
Transmission erreicht wird.
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Bei
einer farbigen Rekonstruktion von Szenen ist zu beachten, dass die
Eliminierung des ungewünschten
Lichts einer Beugungsordnung pro monochromatische Lichtfarbe getrennt
durchgeführt
wird, da das winkelselektive optische Element 3 jeweils entsprechend
der Wellenlänge λ des Licht
angepasst ist.
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Das
winkelselektive optische Element 3 kann unterschiedlich,
wie die nachfolgenden Ausführungsbeispiele
entsprechend den 2 und 3 zeigen, ausgeführt sein.
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In 2 weist
das winkelselektive optische Element 3 eine transparente
Platte 5, insbesondere eine Glasplatte, auf, auf welcher
jeweils an Oberflächen
teilreflektierende Schichten 6 vorgesehen sind. Das von
der Lichtmodulationseinrichtung 2 modulierte Licht fällt auf
das winkelselektive optische Element 3, wobei in diesem
Ausführungsbeispiel
die nullte Beugungsordnung und die 1. Beugungsordnung dargestellt
sind. Zwischen den teilreflektierenden Schichten 6 treten
Mehrfachreflexionen der Lichtstrahlen auf. Bei jeder Reflexion wird
der Lichtstrahl teilweise reflektiert und teilweise transmittiert.
Die transmittierten, hier gestrichelt dargestellten Strahlen interferieren
miteinander in einer Vielstrahlinterferenz, die abhängig von
der Phasendifferenz bzw. dem optischen Wegunterschied konstruktiv
oder destruktiv ist. Dieser optische Wegunterschied hängt von
der optischen Dicke des winkelselektiven optischen Elements 3 und
dem Winkel ab, unter dem die Lichtstrahlen auftreffen. Bei einem
optischen Wegunterschied von λ/2
bzw. einer Phasendifferenz von π ist
die Interferenz destruktiv, während
sie bei einem optischen Wegunterschied von λ bzw. einer Phasendifferenz
von 2π konstruktiv
ist. Dasselbe gilt, wenn zum optischen Wegunterschied bzw. zur Phasendifferenz
ganzzahlige Vielfache von λ bzw.
2π addiert bzw.
subtrahiert werden. Aufgrund der Abhängigkeit vom Auftreffwinkel
wird bei geeigneter Wahl der optischen Dicke des winkelselektiven
optischen Elements 3 eine konstruktive Interferenz für die nullte Beugungsordnung
und eine destruktive Interferenz für die 1. und –1. Beugungsordnung
erreicht, wie dargestellt.
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Der
Grad der Auslöschung
hängt von
der Reflektivität
der teilreflektierenden Schichten 6 ab. Je höher die
Reflektivität
ist, umso stärker
ist die Auslöschung
in den Winkelbereichen mit destruktiver Interferenz. Ebenso steigt
mit der Reflektivität
auch die Steilheit der Flanken der Filtercharakteristik, d.h. die Trennung
zwischen den Winkelbereichen mit Transmission und Auslöschung wird
schärfer.
Der Nachteil einer hohen Reflektivität ist jedoch, dass der Winkelbereich,
in dem das winkelselektive optische Element 3 transmittiert,
kleiner wird. Es muss daher ein Kompromiss zwischen Transmission
der nullten Beugungsordnung und Auslöschung der 1. und –1. Beugungsordnung
durch Wahl der Reflektivität
gefunden werden.
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Ein
Winkelbereich, der in Transmission destruktive Interferenz besitzt,
interferiert im reflektierten Strahl konstruktiv. Es ist daher ebenfalls
möglich,
das winkelselektive optische Element 3 in Reflexion statt in
Transmission zu verwenden. In diesem Fall sind die optische Dicke
und die Reflektivität
so zu wählen, dass
die gewünschte
Beugungsordnung in Reflexion konstruktive Interferenz aufweist.
Der Betrachter sieht dann die gewünschte Beugungsordnung nach Reflexion
an dem winkelselektiven optischen Element 3.
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Die
Vielstrahlinterferenz an einem winkelselektiven optischen Element 3,
das zwei teilreflektierende Schichten aufweist, wird nicht nur jeweils
einen Winkelbereich der Transmission und Auslöschung haben. Da die Interferenzen
der mehrfach reflektierten Strahlen periodisch mit einer Phasendifferenz von
2π sind,
wiederholen sich abwechselnd Winkelbereiche mit Transmission und
Auslöschung.
Es ist daher schwierig, mit einem derartigen winkelselektiven optischen
Element 3 nur eine Beugungsordnung zur Transmission bzw.
Auslöschung
zu selektieren.
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Um
dies jedoch zu erreichen, können
mehrere winkelselektive optische Elemente 3 vorgesehen werden.
Wenn mehrere winkelselektive optische Elemente 3 in Strahlrichtung
hintereinander angeordnet sind, multiplizieren sich die Filtercharakteristiken.
Daher lässt
sich durch geeignete Kombination unterschiedlicher optischer Dicken
der transparenten Platte 5 und Reflektivitäten der teilreflektierenden Schichten 6 der
einzelnen winkelselektiven optischen Elemente 3 erreichen,
dass beispielsweise nur eine Beugungsordnung zur Transmission selektiert
wird. Es ist ebenso möglich,
mehrere winkelselektive optische Elemente 3 miteinander
zu kombinieren, die teilweise in Transmission und teilweise in Reflexion verwendet
werden. Hierbei ist zu beachten, dass sich eine Beugungsordnung über einen
Winkelbereich erstreckt. Daher ist innerhalb dieses Winkelbereichs eine
möglichst
konstante Transmission und am Rand eine möglichst hohe Filtersteilheit
anzustreben.
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Die
Vielstrahlinterferenz wurde anhand eines winkelselektiven optischen
Elements 3 erklärt,
das auf jeder Seite eine teilreflektierende Schicht 6 aufweist.
Stattdessen kann auf jeder Seite des winkelselektiven optischen
Elements 3 ein Vielfachschichtsystem aufgebracht werden.
Das Vielfachschichtsystem weist mehrere übereinander liegende Schichten auf,
die sich in ihren Dicken und/oder Brechungsindizes unterscheiden.
Durch geeignete Kombination dieser Dicken und Brechungsindizes lässt sich
der Winkelbereich der Transmission bzw. Auslöschung sowie die Steilheit
der Flanken der Filtercharakteristik einstellen.
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Die
Filtercharakteristik des winkelselektiven optischen Elements 3 lässt sich
auch verändern,
indem das winkelselektive optische Element 3 zur optischen
Achse 4 geneigt bzw. der Winkel zwischen dem winkelselektiven
optischen Element 3 und der optischen Achse 4 verändert wird.
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Ein
derartig ausgeführtes
winkelselektives optisches Element ist dahingehend von Vorteil,
dass es leichter, in großer
Größe und relativ
kostengünstig herstellbar
ist.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Ausführung
eines winkelselektiven optischen Elements 3 entsprechend
der 2 wird nachfolgend beschrieben. Ein derartiges
winkelselektives optisches Element 3 kann auch abstimmbar
ausgeführt
werden, um eine variable Auswahl von Beugungsordnungen zu erreichen.
Dafür ist
eine Schicht aus Flüssigkristallen
anstelle der transparenten Platte 5 zwischen den teilreflektierenden
Schichten 6 vorgesehen. Bei Anlegen eines elektrischen
Feldes an die Flüssigkristallschicht 5 wird
der Brechungsindex der Flüssigkristallschicht 5 und
somit die optischen Eigenschaft des winkelselektiven optischen Elements 3 gesteuert
und verändert.
Auf diese Weise wird die optische Dicke über den Brechungsindex verändert. Somit
lässt sich der
Winkelbereich verschieben, in dem Beugungsordnungen zur Transmission
bzw. Auslöschung
selektiert werden.
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Diese
steuerbare Selektion von Beugungsordnungen ermöglicht beispielsweise in einer
Projektionseinrichtung zur holographischen Rekonstruktion von Szenen
eine sequentielle Rekonstruktion einer Szene in mehreren Beugungsordnungen.
Dazu wird beispielsweise das winkelselektive optische Element 3 zur
Transmission der nullten Beugungsordnung gesteuert und ein Teil
der Szene in der nullten Beugungsordnung rekonstruiert. Anschließend wird
das winkelselektive optische Element 3 zur Transmission der
1. Beugungsordnung gesteuert und ein weiterer Teil der Szene in
der 1. Beugungsordnung rekonstruiert. Da sich die nullte und 1.
Beugungsordnung im Winkel und somit im Rekonstruktionsort unterscheiden,
vergrößert sich
die darstellbare Szene. Dieses Verfahren kann auch auf weitere Beugungsordnungen
erweitert werden. Geschieht die sequentielle Rekonstruktion der
Szene mit ausreichender Rate, d.h. ca. 25 Hz, sieht das Auge eine
zusammengesetzte Rekonstruktion. Die Rekonstruktion ist somit nicht mehr
auf eine Beugungsordnung begrenzt.
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Die
sequentielle Rekonstruktion lässt
sich beispielsweise auf die in der
DE
103 53 439 offenbarte Einrichtung und Verfahren anwenden.
Auf diese Weise lässt
sich ein Betrachterfenster auf mehr als eine Beugungsordnung erweitern.
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In 3 ist
ebenfalls eine Ausführungsform des
winkelselektiven optischen Elements 3 in Verbindung mit
der Vorrichtung zu Eliminierung von Licht wenigstens einer Beugungsordnung
dargestellt. Das winkelselektive optische Element 3 weist
in diesem Ausführungsbeispiel
einen Körper 7 aus
doppelbrechendem Material und ein Polarisationselement 8 auf.
Das Polarisationselement 8 kann als Polarisationsfilter
ausgeführt
sein. Wie bekannt, bricht der Körper 7 aus
doppelbrechendem Material einen einfallenden Strahl in zwei unterschiedliche
Teilstrahlen (ordentlicher und außerordentlicher Strahl). Die
Teilstrahlen weisen zueinander senkrechte Polarisation auf und erfahren
unterschiedliche Brechungsindizes. Der hierbei eingesetzte doppelbrechende
Körper 7 ist
einachsig, wobei die Achse des Körpers 7 parallel zur
optischen Achse 4 der Vorrichtung verläuft. Es ist selbstverständlich auch
möglich,
einen anderen doppelbrechenden Körper
vorzusehen.
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Zur
Eliminierung von Licht einer ungewünschten Beugungsordnung wirkt
dabei die Vorrichtung wie folgt. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte
Licht trifft zur Modulation auf die Lichtmodulationseinrichtung 2,
wobei durch die Modulation das Licht in mehrere Lichtbündel unterschiedlicher
Beugungsordnungen aufgeteilt wird. Zur Vereinfachung sind in 3 nur
zwei Lichtstrahlen nullter Beugungsordnung und 1. Beugungsordnung
dargestellt. Die beiden Lichtstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnung
treten aus der Lichtmodulationseinrichtung 2 unter verschiedenen
Winkel aus, wie bereits erwähnt.
Diese Lichtstrahlen weisen beide denselben Polarisationszustand
auf. Danach fallen die Lichtstrahlen nullter und 1. Beugungsordnung
auf den doppelbrechenden Körper 7,
wobei die Lichtstrahlen somit auch in den doppelbrechenden Körper 7 unter
verschiedenen Winkeln eintreten. Da die Achse des doppelbrechenden
Körpers 7 in
diesem Ausführungsbeispiel
parallel zu dem Lichtstrahl nullter Beugungsordnung verläuft und
dieser Lichtstrahl senkrecht auf eine Oberfläche des doppelbrechenden Körpers 7 trifft,
tritt somit keine räumliche
Aufspaltung in ordentliches und außerordentliches Licht auf.
Das bedeutet, dass der doppelbrechende Körper 7 die Orientierung
der Polarisation des Lichts nullter Beugungsordnung nicht beeinflusst.
Das Licht tritt mit derselben Orientierung der Polarisation aus
wie es in den doppelbrechenden Körper 7 eintritt.
Das Licht 1. Beugungsordnung fällt jedoch unter einem Winkel auf
den doppelbrechenden Körper 7,
wodurch eine räumliche
Aufspaltung des Lichts in den ordentlichen und den außerordentlichen
Strahl auftritt. Beide Teilstrahlen haben eine unterschiedliche
Ausbreitungsgeschwindigkeit, wodurch der eine Teilstrahl dem anderen
Teilstrahl vorauseilt. Nachdem beide Teilstrahlen den doppelbrechenden
Körper 7 durchdrungen haben,
besteht zwischen ihnen ein Gangunterschied, der zu einer Änderung
des Polarisationszustandes des transmittierten Lichts im Vergleich
zum einfallenden Licht der 1. Beugungsordnung führt. Somit weisen die aus den
doppelbrechenden Körper 7 austretenden
Lichtstrahlen der nullten Beugungsordnung und der 1. Beugungsordnung
unterschiedliche Polarisationszustände auf, beispielsweise linear
polarisiertes Licht. Diese Lichtstrahlen treffen danach auf das
nachgeschaltete Polarisationselement 8. Das Polarisationselement 8 ist
dabei derart ausgeführt, dass
dieses nur Licht der gewünschten
Beugungsordnung durchlässt,
wie erkennbar hier Licht nullter Beugungsordnung. Das Licht der
1. Beugungsordnung ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht gewünscht und
wird somit mittels des Polarisationselements 8 absorbiert
bzw. abgeblockt. Wenn die Achse des doppelbrechenden Körpers 7 nicht
parallel zu der optischen Achse der Vorrichtung verläuft, sondern senkrecht
dazu, dann sind die Maße
bzw. Eigenschaften des doppelbrechenden Körpers 7 so zu wählen, dass
die austretenden Lichtstrahlen nullter Beugungsordnung und 1. Beugungsordnung
unterschiedliche Polarisationszustände aufweisen.
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Es
ist selbstverständlich
auch möglich
mittels des doppelbrechenden Körpers 7 andere
Polarisationszustände,
wie z.B. elliptisch polarisiertes Licht, zu erreichen. Jedoch kann
ein derartig vorliegendes Licht nicht mehr mit einem linearen Polarisationselement 8,
wie in dem oben aufgeführten
Ausführungsbeispiel
erwähnt,
selektiert werden. Hierfür sind
dann dafür
geeignete Polarisationselemente, wie z.B. λ/4-Platten, vorzusehen. Des
Weiteren ist es denkbar, den doppelbrechenden Körper 7 mit dem Polarisationselement 8 direkt
zu kombinieren bzw. miteinander zu verbinden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
sieht vor, dass das winkelselektive optische Element 3 zur
Selektion von Licht der gewünschten
Beugungsordnung(en) konfigurierbar ausgestaltet ist. Dafür kann beispielsweise
der steuerbare doppelbrechende Körper 7 als
Polarisationsrotator eingesetzt werden, mit dem die Polarisation
von Licht einer bestimmten Beugungsordnung geeignet gedreht und
danach von einem Polarisationselement 8, z.B. einem Polarisationsfilter,
transmittiert wird. Ein derartiger steuerbarer Polarisationsdreher
kann beispielsweise ein Flüssigkristallelement
(LCD) sein. Die Steuerung der Polarisationsdrehungen kann durch Änderung
der angelegten Spannung an den doppelbrechenden Körper 7 erfolgen.
Auf diese Weise lassen sich z.B. sequentiell die Lichtstrahlen der
Beugungsordnungen einzeln selektieren und Lichtstrahlen ungewünschter
Beugungsordnungen eliminieren.
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Es
ist auch möglich,
das Polarisationselement 8 mit einem steuerbaren Polarisationsrotator 7 als
ein Element auszuführen.
Demzufolge ist das Polarisationselement 8 als Flüssigkristallelement
(LCD) ausgeführt,
welches so wirkt, dass das Licht einer ungewünschten Beugungsordnung geblockt
bzw. absorbiert wird. Beispielsweise kann das Polarisationselement 8 wie
ein IPS-LCD (In Plane Switching LCD) wirken. Bei einem derartigen
Polarisationselement 8 sind die Moleküle der Flüssigkristalle in einer Ebene ausgerichtet,
wobei bei Anlegen einer Spannung die Moleküle sich in dieser Ebene drehen.
Dies bewirkt eine λ/2-Verzögerung zwischen
dem ordentlichen und dem außerordentlichen
Strahl. Zum Beispiel linear polarisiertes Licht wird dadurch gedreht
und das Licht der ungewünschten
Beugungsordnung wird somit abgeblockt.
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Das
winkelselektive optische Element 3 kann aber ebenfalls
durch Vorsehen eines rotierbaren Polarisationselements 8 in
Verbindung mit einem doppelbrechenden Körper 7 konfigurierbar
ausgestaltet sein. Dadurch, dass das Polarisationselement 8 rotierbar
ausgebildet ist, kann auch auf diese Weise sequentiell Licht der
verschiedenen Beugungsordnungen einzeln selektiert und eliminiert
werden. Auch hier ist es selbstverständlich möglich, mittels des doppelbrechenden
Körpers 7 andere
Polarisationszustände
zu erreichen.
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Mit
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
für ein
winkelselektives optisches Element 3 ist es beispielsweise
möglich,
bei Einsatz dieses in einer Einrichtung zur holographischen Rekonstruktion
von Szenen, einen nutzbaren Winkelbereich der Lichtmodulationseinrichtung 2 zu
vergrößern. Dies bedeutet,
dass ein Teil der Szene in der nullten Beugungsordnung rekonstruiert
wird und ein anderer Teil der Szene anschließend in der 1. Beugungsordnung. Dies
kann je nach gewünschter
Größe der Szene
mit mehreren Beugungsordnungen erfolgen. Dabei ist es jedoch notwendig,
dass das Umschalten von einem Teil der Szene zu dem nächsten Teil
hinreichend schnell erfolgt, wodurch die rekonstruierte Szene in ihrer
Größe beeinflussbar
ist bzw. vergrößert werden kann.
Ist dies der Fall, dann kann ein Betrachter eine große Szene,
beispielsweise eine dreidimensionale Szene, in mehreren Beugungsordnungen
beobachten.
-
In
allen Ausführungsbeispielen
können
auch kleine Lichtmodulationseinrichtungen, wie beispielsweise LCoS
(Liquid Crystal an Silicon) oder MEMS (Micro Electro Mechanical
Systems), verwendet werden. Dadurch ist es möglich, dementsprechend kleine
winkelselektive optische Elemente 3 einzusetzen. Die somit
erforderlichen doppelbrechenden Körper 7 bzw. transparenten
Platten bzw. Flüssigkristallschichten 5 können Aperturen
in einer Größenordnung
von ca. 10 mm aufweisen. Außerdem
sind derartige kleine winkelselektive optische Elemente 3 einfacher
realisierbar.
-
Mögliche Einsatzgebiete
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Eliminierung von Licht wenigstens einer Beugungsordnung sind
beispielsweise in holographischen Projektionseinrichtungen für eine zwei-
und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich,
wie beispielsweise für Computer,
Mobiltelefone, Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie
zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik
oder auch für
die Militärtechnik
beispielsweise zur Darstellung von Geländeprofilen. Selbstverständlich kann die
vorliegende Vorrichtung auch in anderen, hier nicht genannten Bereichen
eingesetzt werden, in welchen Licht bestimmter Beugungsordnungen
selektiert bzw. eliminiert werden muss.