DE102006036255B4

DE102006036255B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen

Info

Publication number: DE102006036255B4
Application number: DE102006036255A
Authority: DE
Inventors: Ralf Häußler; Joachim Gantz
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: WO2008015283A1; US20120188621A1; JP2009545762A; TW200821661A; US8149266B2; TWI376535B; US20100045775A1; DE102006036255A1

Abstract

Verfahren zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen mit einer Lichtquelle (3) und einem steuerbaren, eine zweidimensionale, aus kodierbaren Pixeln bestehende Kodierfläche (4) aufweisenden Lichtmodulator (2), wobei der Kodierfläche (4) in horizontaler Richtung eine x-Achse, in vertikaler Richtung eine y-Achse und der optischen Achse (10) eine z-Achse eines xyz-Koordinatensystems zugeordnet werden, mit folgenden Schritten: – Unterteilung der Kodierfläche (4) des Lichtmodulators (2) in y-Richtung in k horizontale Modulatorzeilen (12, 13, 14), wobei einer Modulatorzeile (12, 13, 14) mindestens eine horizontale Pixelreihe (5) zugeordnet ist, – Umordnung der vertikal in y-Richtung untereinander angeordneten Modulatorzeilen (12, 13, 14) durch eine gegenseitige, horizontal in x-Richtung aneinandergereihte Versetzung (9) in stufenförmiger Form, die durch den Modulatorzeilen (12, 13, 14) zugeordnete Prismen (21, 22, 23) mit unterschiedlicher Steigung (24, 25, 26) einer ihrer zum Lichtmodulator (2) mit einem Steigungswinkel veränderlichen xy-Fläche erzeugt wird, – Erzeugung von Fouriertransformierten der horizontal in x-Richtung und...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen und deren Verwendung mit einer Lichtquelle und einem steuerbaren, eine zweidimensionale, aus kodierbaren Pixeln bestehende Kodierfläche aufweisenden Lichtmodulator.
Zur Aufzeichnung von computergenerierten Hologrammen stehen gewöhnlich zweidimensionale Lichtmodulatoren mit einer Kodierfläche von m Pixelreihen zu je n Pixeln zur Verfügung. Auch ist es im allgemeinen üblich, bei der Beschreibung von Strahlengängen ein xyz-Koordinatensystem bezüglich der Kodierfläche des Lichtmodulators vorzugeben, wobei im allgemeinen die horizontale Richtung die x-Richtung, die vertikale Richtung die y-Richtung und die Normalenrichtung zur Kodierfläche die z-Richtung darstellen, wobei n Pixel in einer Pixelreihe in x-Richtung und die m Pixelreihen in y-Richtung angeordnet sind.
Es ist eine steuerbare Beleuchtungseinrichtung in einer älteren Patentanmeldung DE 10 2005 021 155 B3 beschrieben, wobei die Beleuchtungseinrichtung aus einer Beleuchtungsmatrix mit primären Lichtquellen sowie einem steuerbaren Lichtmodulator (engl. spatial light modulator), dessen Licht in Bündeln von einer Abbildungsmatrix auf mindestens einen Betrachter durch eine Wiedergabematrix gerichtet ist, besteht. Die primären Lichtquellen können wahlweise punkt-, linien- oder flächenförmig mit mindestens einem leuchtenden Element pro Lichtquelle ausgebildet sein. Die Wiedergabematrix kann ein stereoskopisches oder holografisches Display sein, auf dem eine monoskopische, stereoskopische oder holografische Information dargestellt ist. Auf der Kodierfläche des steuerbaren Lichtmodulators wird ein von den primären Lichtquellen beleuchtetes computergeneriertes Hologramm (CGH) kodiert, das in mindestens einer in Lichtausbreitungsrichtung dem steuerbaren Lichtmodulator nachfolgenden Ebene eine Matrix sekundärer Lichtquellen mit einer sekundären Lichtverteilung rekonstruiert und dessen Kodierung mit variablen, von den jeweiligen Betrachterposition abhängigen Parametern erfolgt, so dass die sekundäre Lichtverteilung an die jeweilige Betrachterposition angepasst wird.
Die Probleme bestehen darin, dass häufig nur eine Verteilung von in vertikaler Richtung linienförmigen Lichtquellen zur Beleuchtung eingesetzt wird, wobei das zugehörige Hologramm dann nur eine Abhängigkeit von Informationen in horizontaler Richtung aufweist, während es in vertikaler Richtung konstante Informationen besitzt. Dagegen sind die verfügbaren Lichtmodulatoren normalerweise mit einer zweidimensionalen Kodierfläche ausgebildet, wobei die vertikale Richtung des Lichtmodulators demzufolge auch nur mit konstanter Information beschrieben ist. Das bedeutet, dass die Kodierfläche des Modulators schlecht genutzt wird. Ein weiteres Problem der Beleuchtungseinrichtung besteht darin, dass der maximale Beugungswinkel des Lichtmodulators durch die Pixelgröße bestimmt wird und somit der Sichtbarkeitsbereich bei der Wiedergabe beschränkt ist.
Des Weiteren sind ein Litchtmodulator und eine stereoskopische Display-Einrichtung in der Druckschrift US 5,594,559 A beschrieben, die zu einem ein kodiertes Hologramm enthaltenden, stereoskopischen Display gehören. Damit kann ein 3D-Bild durch eine Phasenverteilung mit geringer Raumfrequenz angezeigt werden. Dazu ist eine Vielzahl von flachen Lichtmodulatoreinheiten mit einer vorgegebenen Fläche und geringer Auflösung entlang einer virtuellen Displayoberfläche in Form einer zylindrischen Fläche oder einer kugelförmigen Fläche angeordnet. Dadurch kann von einer relativ großen Kodierfläche der Lichtmodulatoren mit geringem Beugungswinkel ein 3D-Objekt in einem vergrößerten Sichtbarkeitsbereich rekonstruiert werden.
Ein Problem besteht aber darin, dass auch eine stückweise gekrümmte Fläche eines Lichtmodulators nicht leicht zu realisieren ist und beim Aneinanderfügen einzelner Modulatoren Lücken entstehen, die die Rekonstruktion beeinträchtigen.
Ein anderes Verfahren zur Wiedergabe von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen unter dem Aspekt einer Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches für Hologramme ist in der Druckschrift Mishina T., Okui M., Okano F.: Viewing-zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction, Applied Optics, Vol.41 (2002), No.8, p.1489-1499 beschrieben, wobei eine Lichtquelle, ein Lichtmodulator mit einem darin kodierten Hologramm, eine Linse und ein Filter in Form einer Lochmaske vorgesehen sind, wobei sich die Lochmaske in der Fourierebene des Hologramms befindet. Die Lochmaske weist ein zeitlich und räumlich steuerbares Lochmuster auf, durch das nicht nur die 0. Beugungsordnung, sondern auch alternativ die 1. oder weitere Beugungsordnungen der Fouriertransformierten des Hologramms zeitsequentiell hindurchgelassen und winkelmäßig aneinandergereiht werden können, so dass vom Betrachter innerhalb eines vergrößerten Sichtbarkeitsbereiches das reproduzierte Bild – das rekonstruierte 3D-Objekt – beobachtet werden kann.
Ein Problem besteht darin, dass zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches verschiedene, insbesondere die 0. und die 1. Beugungsordnung mit unterschiedlicher Intensität zeitsequentiell herausgefiltert und aneinandergefügt werden müssen, was durch die Anordnung des Filters mit den steuerbaren Öffnungen in der Fourierebene des Hologramms realisiert wird. Im Mittel ist dadurch die Intensität im Sichtbarkeitsbereich wesentlich geringer als die Intensität in der 0. Beugungsordnung. Um eine 1. Beugungsordnung mit gleicher Intensität, wie die 0. Beugungsordnung sie aufweist, zu erzeugen, muss zusätzlich die Intensität der Beleuchtung zeitabhängig gesteuert werden. Weiter sind auch umfangreiche programmtechnische Mittel unter anderem zur Schaltung und Steuerung der Öffnungen erforderlich. Die zeitsequentielle Darstellung des Hologramms und die Filterung müssen auch genügend schnell erfolgen, damit ein Flackern des rekonstruierten Bildes vermieden wird.
Die Druckschrift US 6,525,699 B1 befasst sich mit Verfahren zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches bei der Erzeugung von dreidimensionalen Bildern. Dazu wird u. a. eine Prismenanordnung verwendet, die aufgrund der unterschiedlichen Neigungswinkel benachbarter Prismen das von einem Display ausgehende Licht unterschiedlich stark bricht und so auf einen größeren Raumwinkel verteilt, der einem oder mehreren Betrachtern zur Verfügung steht. Weitere Maßnahmen zur Verbesserung des nachgeordneten optischen Systems zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches werden in diesem Zusammenhang aber nicht offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches insbesondere bei der Verwendung in den der Vorrichtung zum Auslesen nachgeordneten optischen Anordnungen erreicht werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.
In dem Verfahren zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen mit Hilfe einer Lichtquelle und einem steuerbaren, eine zweidimensionale aus kodierbaren Pixeln bestehende Kodierfläche aufweisenden Lichtmodulator werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 folgende Schritte durchgeführt:

– Unterteilung der Kodierfläche des Lichtmodulators in k horizontale Modulatorzeilen, wobei einer Modulatorzeile mindestens eine horizontale Pixelreihe zugeordnet ist,
– Umordnung der vertikal angeordneten Modulatorzeilen durch eine gegenseitige, horizontal aneinandergereihte Versetzung in stufenförmiger Form,
– Erzeugung von Fouriertransformierten der horizontal stufenförmig versetzten Modulatorzeilen in einer Fourierebene des Lichtmodulators und
– Begrenzung der zugeordneten Fouriertransformierten auf eine einzige ausgewählte Beugungsordnung mittels Zuordnung jeweils einer Blendenöffnung und Ausblendung der anderen Beugungsordnungen in der Fourierebene des Lichtmodulators.

In der Vorrichtung zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen, enthaltend im wesentlichen

– eine Lichtquelle,
– den Lichtmodulator mit einer Kodierfläche mit m Pixelreihen zu je n Pixeln,
– eine Linse und
– eine Lochblendenmaske,

Die Kodierfläche des Lichtmodulators weist n Pixel in x-Richtung und m Pixelreihen in y-Richtung auf, wobei mehrere Pixelreihen eine Modulatorzeile bilden, wobei ein xyz-Koordinatensystem vorgegeben ist, in dem die x-Richtung die horizontale Richtung, die y-Richtung die vertikale Richtung und die z-Richtung die Richtung der optischen Achse der Vorrichtung darstellen.
Die Prismenanordnung kann aus mehreren, z. B. drei Prismen bestehen, die in y-Richtung aneinandergesetzt sind und unterschiedliche Steigung mit verschiedenen Steigungswinkeln z. B. –α, 0°, +ᾳ aufweisen, wobei die Steigungen derart bemessen sind, dass zugehörige Winkelbereiche Θ_xk jeweils benachbarter Modulatorzeilen einander anschließen, so dass eine lückenlose Anbindung der Beugungswinkel der stufenförmig versetzten k Modulatorzeilen in horizontaler x-Richtung erreichbar ist.
Dabei ist der Winkelbereich Θ_xk jeder Modulatorzeile durch den maximalen Beugungswinkel des Lichtmodulators in x-Richtung gegeben.
Die kombinierte Anordnung aus Lichtmodulator und Prismen wirkt daher wie ein einzeiliger Lichtmodulator mit n·m Pixeln, wobei eine Modulatorzeile aus m/k Pixelreihen besteht und die Prismenanordnung dem räumlichen Multiplexing dient, d. h. die aneinander gesetzten Winkelbereiche Θ_xk werden zur gleichen Zeit, jedoch räumlich getrennt, auf dem einzeiligen Lichtmodulator angezeigt. Hierbei weist der einzeilige Lichtmodulator n·k Pixel pro Modulatorzeile auf, wobei eine Modulatorzeile aus m/k Pixeln besteht. Somit bleibt die Gesamtzahl von n·m Pixeln erhalten. k ist die Anzahl der Modulatorzeilen.
Dem Lichtmodulator ist ein optisches System mit einer Linse nachgeordnet, deren Brennweiten in x-Richtung und in y-Richtung unterschiedlich sind, wobei im Strahlengang in derselben Ebene in x-Richtung eine Fouriertransformation des Lichtmodulators in der Brennebene der Linse und in der y-Richtung eine Abbildung des Lichtmodulators in der mit der Fourierebene ortsidentischen Abbildungsebene vorliegt, die im weiteren als Filterebene bezeichnet wird.
Dem mit einem parallelen Strahlenbündel beleuchteten Lichtmodulator ist eine Linse zugeordnet, die in x-Richtung die Brennweite f_x aufweist und im Abstand f_x nach dem Lichtmodulator angeordnet ist, wobei in der Filterebene im Abstand f_x hinter der Linse die Fouriertransformierte des Lichtmodulators in x-Richtung entsteht, so dass die Beugungsordnungen, die sich direkt nach dem Lichtmodulator in ihrem Winkel unterscheiden, in der Filterebene räumlich getrennt sind. Dieselbe Linse besitzt in y-Richtung eine Brennweite f_y, wobei f_y = f_x/2 ist, wobei jeweils ein Abstand von 2f_y zwischen dem Lichtmodulator und der Linse und zwischen der Linse und der Filterebene vorhanden ist und wobei in der Filterebene in y-Richtung eine identische Abbildung des Lichtmodulators entsteht.
Die Lochblendenmaske ist ein Filter, das in der Filterebene angebracht und durch die vorgegebenen Öffnungen geformt ist, wobei von jeder Modulatorzeile nur die ausgewählte, der hohen Intensität wegen 0. Beugungsordnung, durchgelassen wird, wobei sich eine Struktur aus stufenförmig versetzten rechteckigen Öffnungen ergibt. In Abhängigkeit von der Modulationsart des Lichtmodulators und der verwendeten Kodierung kann auch eine andere als die 0. Beugungsordnung durchgelassen werden.
Es kann auch ein optisches System mit Linsen vorgesehen sein, das eine andere Vergrößerung als Eins hat, wobei in jedem Falle in x-Richtung die Fouriertransformierte und in y-Richtung die Abbildung des Lichtmodulators in derselben Filterebene vorliegen.
In der Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 mittels des Verfahrens nach Anspruch 1, wird gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 12 das in der Filterebene gefilterte Licht in eine nachfolgende optische Anordnung, insbesondere für eine holografische Beleuchtungseinrichtung oder für eine holografische Projektionsvorrichtung geführt.
In den optischen Anordnungen, die der Vorrichtung nach Anspruch 2 angefügt sein können, werden nachfolgende Schritte durchgeführt:

– eine vertikale Ablenkung der ausgewählten, insbesondere 0. Beugungsordnungen zur Erzeugung von parallelen, in vertikaler Richtung linienförmig angeordneten Lichtverteilungen mittels einer statischen Ablenkeinrichtung,
– eine Erzeugung einer vergrößerten zweidimensionalen Kodierfläche in einem virtuellen Lichtmodulator mittels einer dynamischen Ablenkeinrichtung und
– eine Sichtbarmachung der vergrößerten zweidimensionalen Kodierfläche in einem vergrößerten Sichtbarkeitsbereich.

Mittels einer zweiten Linse und einer Ablenkeinrichtung in Form eines eindimensionalen Diffusors wird eine Kompensation der stufenförmigen Versetzung in y-Richtung erreicht, wobei die zweite Linse in x-Richtung eine Abbildung in eine Ausgangsebene durchführt, in der die Beugungsordnungen, die in der Filterebene räumlich getrennt sind, wiederum räumlich getrennt sind, wobei aber aufgrund der Lichtablenkung in der Prismenanordnung die Strahlenbündel der Modulatorzeilen in unterschiedliche, aneinander angrenzende Winkelbereiche Θ_xk abstrahlen und der Beugungswinkelbereich Θ_x = Θ_x1 + Θ_x2 + Θ_x3 + ... + Θ_xk des Lichtmodulators in x-Richtung vergrößert wird. Der eindimensionale Diffusor ist in der nachfolgenden optischen Anordnung eingesetzt, wobei der Diffusor nur in y-Richtung streut, wobei durch die Streuung in y-Richtung eine kontinuierliche Winkelabdeckung Θ_y in y-Richtung erreicht wird und Θ_y mindestens gleich Θ_y1 + Θ_y2 + Θ_y3 ist.
In einer weiteren optischen Anordnung kann bei variabler Kodierung von Informationen im Lichtmodulator in y-Richtung anstelle des Diffusors ein eindimensionaler Drehspiegel vorgesehen sein, wobei der Drehspiegel das Licht des Lichtmodulators in y-Richtung ablenkt, so dass während der Drehung des Drehspiegels die Kodierungen im Lichtmodulator veränderbar sind.
Es werden sowohl die Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 der ausgewählten Beugungsordnung in x-Richtung aneinander gesetzt als auch ein Winkelversatz Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3 in y-Richtung aufgrund der unterschiedlichen Positionen in der Filterebene der Vorrichtung erzeugt, wobei die Winkelbereiche mit Θ_x1, Θ_y1; Θ_x2, Θ_y2; Θ_x3, Θ_y3 stufenartig aneinander gesetzt sind.
Ein Abtastmuster kann durch Drehen des Drehspiegels zu einer zeilenweisen Aneinanderreihung der stufenversetzten Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 in y-Richtung ausgebildet werden, wobei durch Drehen des Drehspiegels die Winkelbereiche Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3 in y-Richtung lückenlos aneinander gesetzt werden, so dass in einem zentralen Bereich ein rechteckig begrenzter Sichtbarkeitsbereich erreicht wird.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische, teilperspektivische Darstellung einer Vorrichtung zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen,
2 eine schematische Darstellung einer Kodierfläche eines Lichtmodulators nach 1,
3 eine schematische Darstellung einer Prismenanordnung mit drei Prismen unterschiedlicher Steigung mit verschiedenen Steigungswinkeln –α, 0°, +α nach 1,
4 eine schematische Darstellung einer stufenförmigen Versetzung der Modulatorzeilen mit Hilfe der Prismenanordnung nach 1,
5 eine schematische Darstellung von Strahlengängen, wobei
5a eine Darstellung des Strahlenganges zur Erzeugung der Fouriertransformierten der Kodierfläche des Lichtmodulators in einer Ebene in x-Richtung ist und
5b eine Darstellung des Strahlenganges zur Abbildung der Kodierfläche des Lichtmodulators in dieselbe Ebene in y-Richtung ist,
6 eine schematische Darstellung der Lochblendenmaske mit vorgegebenen Öffnungen zum Durchlassen der 0. Beugungsordnungen der Fouriertransformierten der zugehörigen, stufenversetzten Modulatorzeilen,
7 eine schematische Darstellung des Strahlengangs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer x-Ansicht nach 1,
8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem eindimensional wirkenden Diffusor in y-Ansicht nach 7,
9 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem eindimensionalen Drehspiegel in y-Ansicht nach 7,
10 eine Abstrahlung der 0. Beugungsordnungen in unterschiedliche Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 und Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3 jeweils in einem Gesamtwinkelbereich Θ_x bzw. Θ_y,
11 ein durch Drehen des Drehspiegels erzeugtes Ablenkmuster mit einer zeilenförmigen Aneinanderreihung der stufenversetzten Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 und Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3 in y-Richtung.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Auslesen von in einem Lichtmodulator 2 kodierten Informationen gezeigt, enthaltend im Wesentlichen eine Lichtquelle 3, den steuerbaren Lichtmodulator 2 mit einer Kodierfläche 4 mit m Pixelreihen 5 zu je n Pixeln 6, eine Linse 7 und eine Lochblendenmaske 8, die in dieser Reihenfolge in einem optischen Strahlengang entlang einer optischen Achse 10 angeordnet sind.
Erfindungsgemäß befindet sich zwischen dem Lichtmodulator 2 und der Linse 7 eine Prismenanordnung 11 zur horizontalen stufenförmigen Versetzung 9 von drei die Kodierfläche 4 unterteilenden Modulatorzeilen 12, 13, 14, die jeweils mindestens aus einer Pixelreihe 5 bestehen, wobei die der Linse 7 nachgeordnete Lochblendenmaske 8 mit vorgegebenen stufenförmig versetzten Öffnungen 15, 16, 17 versehen ist, die die Fouriertransformierten der drei Modulatorzeilen 12, 13, 14 jeweils auf die ausgewählte 0. Beugungsordnung begrenzen.
In 2 ist die Kodierfläche 4 des Lichtmodulators 2 dargestellt, die in einer Pixelreihe n Pixel 6 in x-Richtung und m Pixelreihen 5 in y-Richtung aufweist, wobei mehrere Pixelreihen 5 eine Modulatorzeile 12, 13, 14 bilden können, wobei die x-Richtung und die y-Richtung einem vorgegebenen xyz-Koordinatensystem, wie in 1 gezeigt ist, zugeordnet sind, in dem die x-Richtung die horizontale Richtung, die y-Richtung die vertikale Richtung und die z-Richtung die Richtung der optischen Achse 10 der Vorrichtung 1 darstellen.
Die Prismenanordnung 11 besteht aus drei Prismen 21, 22, 23, die in y-Richtung aneinandergesetzt sind und jeweils eine unterschiedliche Steigung 24, 25, 26 mit verschiedenen Steigungswinkeln –α, 0°,
wie in 3 gezeigt ist, aufweisen, wobei die Steigungen 24, 25, 26 derart bemessen sind, dass zugehörige Beugungswinkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 jeweils benachbarter Prismen 21, 22, 23 aneinander anschließen, so dass eine lückenlose Anbindung der stufenförmigen Versetzung 9 der Modulatorzeilen 12, 13, 14 in horizontaler x-Richtung, wie in 4 gezeigt ist, erreichbar ist.
Die maximale Anzahl der aneinandersetzbaren Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3, ... Θ_xm entspricht maximal der Anzahl der vorgegebenen m Pixelreihen 5 des Lichtmodulators 2. Die dazu nötige Prismenanordnung 11 hätte in diesem Fall jedoch sehr viele und sehr schmale Prismen bzw. ein nachfolgend angeordnetes Ablenksystem müsste sehr fein abtasten. An den schmalen Prismen würden starke Beugungseffekte auftreten. Es ist daher zweckmäßig, nicht die maximale Anzahl von Winkelbereichen, die der Anzahl der m Pixelreihen 5 entspricht, aneinanderzureihen und versetzt anzuordnen. In 1 sind deshalb beispielsweise nur drei Prismen 21, 22, 23 eingesetzt, d. h. einem Prisma 21 wird ein Drittel der m Pixelreihen 5 zugeordnet, wobei das Drittel dann eine Modulatorzeile 12 ist oder, wie später erläutert, ein Hologramm beinhalten kann.
Der Beugungswinkelbereich Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 jedes Prismas 21, 22, 23 ist durch den maximalen Beugungswinkel des Lichtmodulators 2 in x-Richtung gegeben.
Wie mit Hilfe der 3 gezeigt ist, weist in einer Beispielrechnung der Lichtmodulator 2 mit einem Pixelabstand von 10 μm bei einer Wellenlänge λ von 633 nm einen maximalen Beugungswinkel Θ_x von 3,6° auf. Der Wert von 3,6° stellt auch den Winkelbereich einer Beugungsordnung dar. Um eine weitere 0. Beugungsordnung einer benachbarten Modulatorzeile auszuwählen, muss daher das benachbarte Prisma 24 oder 26 das Licht um +3,6° oder –3,6° ablenken. Zum Auswählen einer weiteren 0. Beugungsordnung muss das übernächste Prisma das Licht um 7,2° ablenken, usw.
In 3 ist das Prisma 21 mit einem einfallenden Strahl 27 und dem abgelenkten Strahl 33 in Richtung des Winkels 6 dargestellt. Der Prismenwinkel ist der Winkel α der Steigung 24. Der Strahl 27 trifft senkrecht auf die Unterseite des Prismas 21 und wird bei Austritt aus der Oberseite um den Winkel δ abgelenkt. Eine Beziehung zwischen α und δ ist mit
gegeben. n ist dabei der Brechungsindex des Prismas 21. Für kleine Winkel α kann aus der Gleichung (I) eine lineare Näherung erhalten werden: δ ≈ (n – 1)·α.
Mit n = 1,5 wird daher ein Prismenwinkel α von 7,2° benötigt, um einen einfallenden Strahl 27 um 3,6° abzulenken. Da in der linearen Näherung der Ablenkwinkel δ nicht vom Auftreffwinkel auf die Unterseite eines Prismas abhängt, wird der Winkelbereich einer Beugungsordnung um 3,6° abgelenkt. Hat das zentrale Prisma 22 einen Prismenwinkel von 0°, muss in der linearen Näherung das jeweils benachbarte Prisma 21 bzw. 23 einen Prismenwinkel von +7,2° bzw. –7,2° haben, das übernächste 14,4° bzw. 14,4° usw.
Andererseits ist es auch möglich, dass in Anlehnung an 1, in der die Prismenanordnung 11 nach dem Lichtmodulator 2 angeordnet ist, die Prismenanordnung 11 auch vor dem Lichtmodulator 2 positioniert sein kann.
Die kombinierte Anordnung aus Lichtmodulator 2 und Prismenanordnung 11 kann andererseits auch wie ein einzeiliger Lichtmodulator mit n·m Pixeln betrachtet werden, wobei in einer Zeile n·k Pixel angeordnet sind. Dabei dient die Prismenanordnung 11 dem räumlichen Multiplexing, d. h. die zu den aneinandergesetzten Winkelbereichen Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 gehörenden Modulatorbereiche 12, 13, 14 werden zur gleichen Zeit, jedoch räumlich getrennt, auf dem einzeiligen Lichtmodulator angezeigt.
Der maximale Beugungswinkel Θ_x des Lichtmodulators 2 ist λ/p, wobei p der Pixelabstand des Lichtmodulators 2 und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes sind. Der maximale Beugungswinkel Θ_x begrenzt auch eine Beugungsordnung. In einer Beugungsordnung kann das Beugungsmuster durch die Kodierung des Lichtmodulators 2 gesteuert werden. Das Beugungsmuster wiederholt sich in höheren Beugungsordnungen. Die höheren Beugungsordnungen schließen sich an den jeweiligen Winkelbereich Θ_x der 0. Beugungsordnung zu beiden Seiten an.
Erfindungsgemäß wird vermieden, dass eine Überlappung zwischen Beugungsordnungen aus dem Prisma 21 und Beugungsordnungen aus den anderen Prismen 22 und/oder 23 stattfindet. Denn eine höhere Beugungsordnung ist nur eine periodische Wiederholung der 0. Beugungsordnung und von der 0. Beugungsordnung nicht getrennt steuerbar. Ein Überlappen der höheren Beugungsordnungen mit der 0. Beugungsordnung eines anderen Prismas 22 und/oder 23 wäre somit störend. Deshalb werden nur die 0. Beugungsordnungen aus den Prismen 21, 22, 23 im weiteren Strahlengang ausgewählt und die höheren Beugungsordnungen blockiert.
Eine Möglichkeit hierzu ist in 5 mit den 5a und 5b in Verbindung mit 6 gezeigt. Dem Lichtmodulator 2 ist ein optisches System mit einer Linse 7 nachgeordnet, deren Brennweiten in x-Richtung (5a) und in y-Richtung (5b) unterschiedlich sind. Damit wird erreicht, dass in derselben Ebene 28 in x-Richtung eine Fouriertransformation des Lichtmodulators 2 und in der y-Richtung eine Abbildung des Lichtmodulators 2 vorliegt. Die Fourier- und Abbildungsebene sind dabei ortsidentisch.
In 5a ist die x-Ansicht dargestellt. Der Lichtmodulator 2 wird mit einem parallelen Strahlenbündel 29 beleuchtet. Die Linse 7 mit der Bezeichnung L_x hat in x-Richtung die Brennweite f_x und ist im Abstand f_x nach dem Lichtmodulator 2 angeordnet. In der Filterebene 28 im Abstand f_x hinter der Linse 7 entsteht in x-Richtung die Fouriertransformierte des Lichtmodulators 2. Die Beugungsordnungen, die sich direkt nach dem Lichtmodulator 2 in ihrem Winkel unterscheiden, sind daher in der Filterebene 28 räumlich getrennt. In 5b ist die y-Ansicht dargestellt. Dieselbe Linse 7 mit der Bezeichnung L_y in y-Richtung hat die Brennweite f_y, wobei f_y = f_x/2 ist. Da ein Abstand von 2f_y zwischen dem Lichtmodulator 2 und der Linse 7 und zwischen der Linse 7 und der Filterebene 28 ist, entsteht in der Filterebene 28 in y-Richtung eine Abbildung des Lichtmodulators 2 mit einer Vergrößerung von Eins.
Die Fourierebene und die ortsidentische Abbildungsebene werden durch die Anordnung der Lochblendenmaske 8 zur Filterebene 28.
In 6 ist die Lochblendenmaske 8 als Filter dargestellt, die in der Filterebene 28 angebracht ist. Die in der Lochblendenmaske 8 eingeschriebenen Zahlen bezeichnen die Beugungsordnungen: 0 ist die 0. Beugungsordnung, –1,1, –2,2 usw. die höheren Beugungsordnungen. In dem mittleren Teilbereich 30 der Lochblendenmaske 8 sind die Positionen der –1., 0. und 1. Beugungsordnung aus einem Prisma 22 gezeichnet. In dem darüber liegenden Teilbereich 31 sind die Beugungsordnungen aus dem benachbarten Prisma 21 um eine Beugungsordnung nach links verschoben, da der Winkel des Prismas 21 so gewählt wird, dass sich eine Ablenkung um eine Beugungsordnung ergibt. Entsprechendes gilt für den unteren, dem Prisma 23 zugeordneten Teilbereich 32 mit einem Versatz um eine Beugungsordnung nach rechts. Aufgrund der Unterschiede in den Brennweiten der Linse 7 findet in x-Richtung eine Fouriertransformation statt und die Beugungsordnungen sind räumlich getrennt, während in y-Richtung eine Abbildung des Lichtmodulators 2 durch die davor liegenden Prismen 21, 22, 23 hindurch stattfindet.
Die Lochblendenmaske 8 ist durch die vorgegebenen Öffnungen 15, 16, 17 so gestaltet, dass von jeder Modulatorzeile 12, 13, 14 nur die 0. Beugungsordnung durchgelassen wird. Dabei ergibt sich eine Struktur aus stufenförmig versetzten rechteckigen Öffnungen 15, 16, 17. So wird erreicht, dass die 0. Beugungsordnungen aus allen Modulatorzeilen 12, 13, 14 aneinander gesetzt werden, während alle höheren Beugungsordnungen von der Lochblendenmaske 8 absorbiert werden. Somit wird ein Überlappen mit höheren Beugungsordnungen vermieden, während die Aneinandersetzung der 0. Beugungsordnungen den nutzbaren Beugungswinkel eines Lichtmodulators 2 in horizontaler Richtung auf den Winkelbereich Θ_x = Θ_x1 + Θ_x2 + Θ_x3 vergrößert.
Es ist auch ein optisches System mit Linsen unterschiedlicher Brennweite möglich, das in y-Richtung eine andere Vergrößerung als Eins hat. Dabei liegen auch hier in x-Richtung die Fouriertransformierte und in y-Richtung die Abbildung des Lichtmodulators 2 in derselben Filterebene 28 vor.
In 6 ist dargestellt, dass die aneinandergesetzten Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 stufenartig versetzt sind. Ob die Versetzung 9 in y-Richtung kompensiert werden muss und wie das geschieht, hängt von der nachfolgenden optischen Anordnung oder einem nachfolgenden optischen System entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck ab. Das in der Filterebene 28 gefilterte Licht kann in eine danach folgende optische Anordnung geführt werden, wie in den 7, 8 und 9 gezeigt ist, z. B. für eine holografische Beleuchtungseinrichtung oder für eine holografische Projektionsvorrichtung.
In 7 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Aneinanderreihung von 0. Beugungsordnungen aus im Lichtmodulator 2 kodierten Informationen zur Verwendung für eine nachfolgende Anordnung 34 in einer x-Ansicht dargestellt. Die Kompensation der stufenförmigen Versetzung 9 mit einer Ablenkeinrichtung 40 in Form eines eindimensional wirkenden Diffusors ist in 8 in einer y-Ansicht dargestellt. Nach dem Lichtmodulator 2 ist die Prismenanordnung 11 angebracht, die aus den drei Prismen 21, 22, 23 besteht. Die gezeichneten Lichtbündel 18, 19, 20 (gestrichelt, durchgezogen, strich-punktiert) stellen jeweils die 0. Beugungsordnung durch das 1. Prisma 21, das 2. Prisma 22 und das 3. Prisma 23 dar. Die 0. Beugungsordnungen werden in ihrem Winkel Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 versetzt und sind daher in der Fourier- und Filterebene 28 nach der Linse 7 räumlich getrennt. In der Filterebene 28 findet die oben beschriebene räumliche Filterung statt. Die Linse 38 führt in horizontaler Richtung eine Abbildung der Filterebene in eine Ausgangsebene 39 durch. Daher sind dort die Beugungsordnungen, die in der Filterebene 28 räumlich getrennt sind, wiederum räumlich getrennt. Aufgrund der Lichtablenkung in der Prismenanordnung 11 strahlen die Strahlenbündel 18, 19, 20 aus den Prismen 21, 22, 23 in unterschiedliche, in horizontaler Richtung aneinander angrenzende Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 ab. Der Beugungswinkelbereich Θ_x = Θ_x1 + Θ_x2 + Θ_x3 des Lichtmodulators 2 ist daher in horizontaler Richtung vergrößert.
In 8 ist die zugehörige y-Ansicht dargestellt. Nach dem Lichtmodulator 2 ist die Prismenanordnung 11 angebracht, die in der y-Richtung keine Lichtablenkung bewirkt. Die Linse 7 bildet die Prismen 21, 22, 23 in die Filterebene 28 mit den y-Maßen der Modulatorzeilen 12, 13, 14 ab, in der die oben beschriebene räumliche Filterung stattfindet. Die Linse 38 führt in vertikaler Richtung eine Fouriertransformation in die Ausgangsebene 39 durch. Daher befinden sich dort die Fouriertransformierten der Modulatorzeilen 12, 13, 14 an der gleichen Position. Das von den Modulatorzeilen 12, 13, 14 ausgehende Licht strahlt jedoch in unterschiedliche Winkelbereiche Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3 ab.
Da auch wie oben erwähnt, in x-Richtung eine Abstrahlung in unterschiedliche Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 erfolgt, kann nur ein versetzter Gesamtwinkelbereich (Θ_x, Θ_y) abgedeckt werden, wie er in 10 dargestellt ist. Die einzelnen Winkelbereiche 43, 44, 45 mit Θ_x1, Θ_y1; Θ_x2, Θ_y2; Θ_x3, Θ_y3 schließen sich stufenartig versetzt aneinander an. Daher ist, wie in 8 gezeigt ist, der eindimensionale Diffusor 40 in die Anordnung 34 eingesetzt, wobei der Diffusor 40 das Licht nur in y-Richtung streut. Durch die Streuung in y-Richtung wird die kontinuierliche Winkelabdeckung über einen Gesamtwinkelbereich Θ_y von mindestens Θ_y1 + Θ_y2 + Θ_y3 in y-Richtung erreicht.
Ist die kodierte Information des Lichtmodulators 2 in y-Richtung konstant, kann ein in y-Richtung wirkender Diffusor 40 zur Kompensation der Versetzung 9 ausreichen, wobei jedoch bei dem y-Diffusor 40 jegliche Informationen in y-Richtung verloren gehen. Es ist daher nur ein Beugungsmuster mit Struktur in x-Richtung darstellbar, wie z. B. eine Folge von parallelen Linien mit Ausdehnung in y-Richtung.
Ist aber die Verwendung der Vorrichtung 1 zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen in einer weiteren nachfolgenden optischen Anordnung 35 vorgesehen, wobei in der Vorrichtung 1 die Informationen im Lichtmodulator 2 auch in y-Richtung variabel kodierbar sind, dann ist ein eindimensional ablenkender Drehspiegel 41 statt des eindimensionalen Diffusors 40 in der optischen Anordnung 35 erforderlich. Der Drehspiegel 41 lenkt das Licht des Lichtmodulators 2 in y-Richtung ab. Die Anordnung 35 ist flexibler als mit dem Einsatz des eindimensionalen Diffusors 40, da der Inhalt des Lichtmodulators 2 während der Zeit der Drehung des Drehspiegels 41 verändert werden kann. Dadurch entsteht ein Sichtbarkeitsbereich, der aus stufenförmig vertikal aneinander gesetzten Teilbereichen besteht. Somit ist auch eine Strukturierung der Information in y-Richtung möglich.
Bei variablen Informationen in y-Richtung kann deshalb eine Ablenkung mit einem Drehspiegel 41 erfolgen, wenn eine Strukturierung des Beugungsmusters in y-Richtung benötigt wird, wie in 9 als y-Ansicht dargestellt ist. Da durch die Fouriertransformation mittels der Linse 38 auch in y-Richtung neben der 0. Beugungsordnung höhere Beugungsordnungen entstehen, müssen diese durch ein horizontales Spaltfilter in der Ausgangsebene 39 (nicht dargestellt) blockiert werden. Die x-Ansicht ist der Darstellung in 7 gleich.
Der in der Ausgangsebene 39 (nicht eingezeichnet) angebrachte Drehspiegel 41 besitzt eine Drehachse 42 in x-Richtung. Damit werden die Strahlen aus den Winkelbereichen 43, 44, 45 in y-Richtung abgelenkt.
10 zeigt die Winkelbereiche 43, 44, 45 mit Θ_x1, Θ_y1; Θ_x2, Θ_y2; Θ_x3, Θ_y3, die bei ruhender Spiegelstellung abgedeckt werden. In x-Richtung sind die Winkelbereiche Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3 der 0. Beugungsordnung aneinander gesetzt. In y-Richtung ergibt sich der Winkelversatz Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3 aufgrund der unterschiedlichen Positionen der Modulatorzeilen 12, 13, 14 in der Filterebene 28. Die Winkelbereiche 43, 44, 45 mit Θ_x1, Θ_y1; Θ_x2, Θ_y2; Θ_x3, Θ_y3 sind stufenartig aneinander gesetzt. Daher kann bei fester Stellung des Drehspiegels 41 kein rechteckiger, parallel zu den Achsen des Koordinatensystems verlaufender Winkelbereich abgedeckt werden.
In 11 ist ein Abtastmuster durch Drehen des Drehspiegels 41 zu einer Aneinanderreihung der stufenversetzten Winkelbereiche 43, 44, 45 in y-Richtung dargestellt, wobei durch Drehen des Drehspiegels 41 die Winkelbereiche Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3 in y-Richtung lückenlos aneinander gesetzt sind. Die Winkelbereiche 43, 44, 45 mit der gleichen Schraffur werden zur gleichen Zeit angezeigt. Wird synchron zur Spiegeldrehung der Inhalt des Lichtmodulators 2 geändert, lässt sich die Information auch in y-Richtung strukturieren. Die Winkelbereiche mit gleichem Θ_y und verschiedenem Θ_x werden im Modulator zu verschiedenen Zeiten erzeugt, wie an den unterschiedlichen Schraffuren zu sehen ist. Durch die Ablenkung in y-Richtung lässt sich ein rechteckiger Winkelbereich 46 abdecken, der in 11 gepunktet markiert ist. Die Fortsätze 47, 48 an Oberkante 36 und Unterkante 37 können ausgeblendet, durch leeren Lichtmodulator-Inhalt verborgen oder auch ignoriert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das in der Vorrichtung 1 zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen realisiert wird und in dem die Kodierfläche 4 ein Hologramm enthalten kann, wird nachstehend erläutert:
Die Kodierfläche 4 des z. B. ein Hologramm enthaltenden Lichtmodulators 2 wird in vertikaler Richtung in mehrere Teilhologramme – z. B. in Modulatorzeilen 12, 13, 14 usw. – unterteilt, wobei in jeder Modulatorzeile 12, 13, 14 ein Teilhologramm kodiert ist. Der Beugungswinkel Θ eines solchen Hologramms 12, 13, 14 ist durch die Auflösung in Zeilen- und Spaltenrichtung (x- und y-Richtung) beschränkt und ist umgekehrt proportional zum Pixelabstand (engl. pitch) p: Θ ~ 1/p. Die Beugungswinkel Θ_x von k Teilhologrammen des Hologramms 4 werden in horizontaler Richtung aneinandergelegt, und es wird so ein um den Faktor k vergrößerter Sichtbarkeitsbereich erzeugt: Θ_x = Θ_x1 + Θ_x2 + Θ_x3 ... + Θ_xk. Das wird erreicht, indem jedes Teilhologramm 12, 13, 14, ... des Lichtmodulators 2 bei der Rekonstruktion des Hologramms 4 entweder unter einem anderen Winkel beleuchtet wird, wobei der Beleuchtungswinkel sich in Schritten ändert, die dem maximalen Beugungswinkel Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3, ..., Θ_xk einer Modulatorzeile 12, 13, 14, ... entsprechen, oder die Beleuchtung erfolgt unter einem einheitlichen Winkel, z. B. in Normalenrichtung, d. h. in z-Richtung. Das an jedem Teilhologramm 12, 13, 14, ... gebeugte Licht des Hologramms 4 wird nachfolgend unter einem Winkel abgelenkt, der sich ebenfalls schrittweise entsprechend dem maximalen Beugungswinkel Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3, ..., + Θ_xk vergrößert. Beide Varianten können z. B. mit dem Lichtmodulator 2 vor- bzw. nachgeordneten Prismen 21, 22, 23, ... realisiert werden, die jeweils ein Teilhologramm 12, 13, 14, ... des Hologramms 4 überdecken und deren Steigung 24, 25, 26, ... sich in Schritten entsprechend dem Beugungswinkel Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3, ..., Θ_xk vergrößert. Der prismenunterstützte Lichtmodulator 2 wirkt dann wie ein eindimensionaler Lichtmodulator mit k×n Pixeln, wobei aber die einzelnen horizontal angrenzenden Teilbeugungsbereiche in vertikaler Richtung untereinander stufenförmig angeordnet sind.
Bei der Aneinanderreihung der Beugungswinkel der Teilhologramme 12, 13, 14 des Hologramms 4 in dem Lichtmodulator 2 ist die Rekonstruktion in der Fourierebene 28 periodisch, wobei sich die Rekonstruktion in den höheren Beugungsordnungen wiederholt. Als weiterer Schritt des Verfahrens wird von der Rekonstruktion jedes Teilhologramms 12, 13, 14 nur eine einzige Beugungsordnung ausgewählt, z. B. die 0. Beugungsordnung, die die höchste Intensität besitzt. Das geschieht z. B. durch eine entsprechend dimensionierte Lochblendenmaske 8 in der Fourierebene 28, wobei die Öffnungen 15, 16, 17 der Lochblendenmaske 8 entsprechend der horizontalen und vertikalen Lage der Fouriertransformierten der Teilhologramme 12, 13, 14 stufenförmig versetzt angeordnet sind.
Wesentlich ist es, dass es sich bei der Lochblendenmaske 8 um ein statisches Filter handelt, dessen Lochblenden im Rahmen der Vorrichtung 1 einen festen Platz besitzen und ständig geöffnet sind. Das unterscheidet die Erfindung ganz wesentlich von dem Verfahren von Mishina et al., in dem zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches von Hologrammen verschiedene Beugungsordnungen, insbesondere die 0. und die 1. Beugungsordnung, zeitsequentiell aneinandergereiht werden, was die Anordnung eines Filters mit steuerbaren Öffnungen in der Fourierebene erfordert.
In nachfolgenden optischen Anordnungen lässt sich in vertikaler Richtung die Rekonstruktion entweder statisch (z. B. durch einen nur vertikal wirkenden Diffusor 40) oder dynamisch (z. B. durch einen vertikal wirkenden Drehspiegel 41) in y-Richtung ausdehnen. Dadurch werden die Teilhologramme 12, 13, 14 vervielfacht, und es ergibt sich die Möglichkeit, die Teilhologramme 12, 13, 14 entsprechend der Spiegelstellung anders zu kodieren und damit ein zweidimensionales Hologramm in einem vergrößerten Sichtbarkeitsbereich zu rekonstruieren. Die zeitsequentielle Darstellung der einzelnen Teilhologramme 12, 13, 14 muss allerdings genügend schnell erfolgen, um die einzelnen Teilhologramme zu einer Gesamtrekonstruktion fusionieren zu können.
Zusammenfassend ergibt sich durch die der Vorrichtung 1 angepasste nachgeordnete Anordnung mit einem Drehspiegel die Möglichkeit, mit einem zweidimensionalen Lichtmodulator 2 mit beschränktem Sichtbarkeitsbereich ein ein- oder zweidimensionales computergeneriertes Hologramm in einem vergrößerten Sichtbarkeitsbereich zu rekonstruieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen kann somit zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches von holografischen Rekonstruktionen mit einer Lichtquelle 3 und einem steuerbaren, eine zweidimensionale aus kodierbaren Pixeln 6 bestehende Kodierfläche 4 aufweisenden Lichtmodulator 2 verwendet werden, wobei folgende Schritte vorgesehen werden:

– Unterteilung der Kodierfläche 4 des Lichtmodulators 2 in horizontale Modulatorzeilen 12, 13, 14, wobei einer Modulatorzeile 12, 13, 14 mindestens eine horizontale Pixelreihe 5 zugeordnet ist,
– Umordnung der vertikal angeordneten Modulatorzeilen 12, 13, 14 durch eine gegenseitige, horizontal aneinandergereihte Versetzung 9 in stufenförmiger Form,
– Erzeugung von Fouriertransformierten der horizontal stufenförmig versetzten Modulatorzeilen 12, 13, 14 in einer Fourierebene 28 des Lichtmodulators 2 und
– Begrenzung des Fourierspektrums der Modulatorzeilen 12, 13, 14 auf eine einzige ausgewählte Beugungsordnung mittels Zuordnung jeweils einer Blendenöffnung 15, 16, 17 und Ausblendung der anderen Beugungsordnungen in der Fourierebene 28 des Lichtmodulators 2.

In der Verwendung des Verfahrens zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen können optische Anordnungen 34, 35 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 angefügt werden, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:

– eine vertikale Ablenkung der ausgewählten 0. Beugungs-ordnungen zur Erzeugung von parallel vertikalen, den Modulatorzeilen 12, 13, 14 zugeordneten Spalten mittels einer Ablenkeinrichtung 40, 41,
– eine Erzeugung einer vergrößerten Kodierfläche in einem virtuellen Lichtmodulator und
– eine Rekonstruktion der in der vergrößerten Kodierfläche kodierten Information in den vergrößerten Sichtbarkeitsbereich.

Die Richtungsbezeichnungen horizontal und vertikal bzw. x und y sind vertauschbar. Die erfindungsgemäße Lösung schließt auch ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Verwendung ein, die um 90° oder einen anderen Winkel gegenüber der beschriebenen Lösung gedreht sind.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Lichtmodulator
3: Lichtquelle
4: Kodierfläche
5: Pixelreihe
6: Pixel
7: Linse
8: Lochblendenmaske
9: Versetzung
10: optische Achse
11: Prismenanordnung
12: Erste Modulatorzeile
13: Zweite Modulatorzeile
14: Dritte Modulatorzeile
15: Erste Öffnung
16: Zweite Öffnung
17: Dritte Öffnung
18: Erstes Strahlenbündel
19: Zweites Strahlenbündel
20: Drittes Strahlenbündel
21: Erstes Prisma
22: Zweites Prisma
23: Drittes Prisma
24: Erste Steigung
25: Zweite Steigung
26: Dritte Steigung
27: Einfallender Strahl
28: Filterebene
29: Strahlenbündel
30: Mittlere Filterzeile
31: Obere Filterzeile
32: Untere Filterzeile
33: Abgelenkter Strahl
34: Erste Anordnung
35: Zweite Anordnung
36: Oberkante
37: Unterkante
38: zweite Linse
39: Ausgangsebene
40: Diffusor
41: Drehspiegel
42: Drehachse des Drehspiegel
43: Erster Winkelbereich
44: Zweiter Winkelbereich
45: Dritter Winkelbereich
46: Rechteckiger Winkelbereich
47: Oberer Fortsatz
48: Unterer Fortsatz
x: horizontale Koordinate
y: vertikale Koordinate
z: Koordinate in Normalenrichtung
Θ: Beugungswinkel
Θ_x: Gesamtwinkelbereich in x-Richtung
Θ_xk: Teilwinkelbereich in x-Richtung
Θ_y: Gesamtwinkelbereich in y-Richtung
Θ_yk: Teilwinkelbereich in y-Richtung
f_x: Brennweite in x-Richtung
f_y: Brennweite in y-Richtung
+ᾳ: Steigungswinkel
–ᾳ: Steigungswinkel

Claims

Verfahren zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen mit einer Lichtquelle (3) und einem steuerbaren, eine zweidimensionale, aus kodierbaren Pixeln bestehende Kodierfläche (4) aufweisenden Lichtmodulator (2), wobei der Kodierfläche (4) in horizontaler Richtung eine x-Achse, in vertikaler Richtung eine y-Achse und der optischen Achse (10) eine z-Achse eines xyz-Koordinatensystems zugeordnet werden, mit folgenden Schritten: – Unterteilung der Kodierfläche (4) des Lichtmodulators (2) in y-Richtung in k horizontale Modulatorzeilen (12, 13, 14), wobei einer Modulatorzeile (12, 13, 14) mindestens eine horizontale Pixelreihe (5) zugeordnet ist, – Umordnung der vertikal in y-Richtung untereinander angeordneten Modulatorzeilen (12, 13, 14) durch eine gegenseitige, horizontal in x-Richtung aneinandergereihte Versetzung (9) in stufenförmiger Form, die durch den Modulatorzeilen (12, 13, 14) zugeordnete Prismen (21, 22, 23) mit unterschiedlicher Steigung (24, 25, 26) einer ihrer zum Lichtmodulator (2) mit einem Steigungswinkel veränderlichen xy-Fläche erzeugt wird, – Erzeugung von Fouriertransformierten der horizontal in x-Richtung und stufenförmig in y-Richtung versetzten Modulatorzeilen (12, 13, 14) in einer Fourierebene (28) des Lichtmodulators (2) durch eine Linse (7) und – Begrenzung der den Modulatorzeilen (12, 13, 14) zugeordneten Fouriertransformierten auf jeweils eine gleichzahlige ausgewählte Beugungsordnung mittels Zuordnung jeweils einer der Lage der gleichzahligen Beugungsordnung entsprechenden Blendenöffnung (15, 16, 17) eines Filters (8) in der Fourierebene (28) und Ausblendung der anderen Beugungsordnungen in der Fourierebene (28) des Lichtmodulators (2), – Führung des in der Fourierebene (28) gefilterten Lichts in eine nachfolgende optische Anordnung (34, 35), mit der – eine vertikale Ablenkung der ausgewählten Beugungsordnungen mittels einer Ablenkeinrichtung (40, 41), – eine Erzeugung einer vergrößerten zweidimensionalen Kodierfläche zu einem virtuellen Lichtmodulator und – eine Sichtbarmachung der vergrößerten zweidimensionalen Kodierfläche in einem vergrößerten Sichtbarkeitsbereich (46) durchgeführt werden.
Vorrichtung zum Auslesen von in Lichtmodulatoren kodierten Informationen, enthaltend – eine Lichtquelle (3), – den Lichtmodulator (2) mit einer Kodierfläche (4) mit m Pixelreihen zu je n Pixeln, – eine Linse (7) und – eine Lochblendenmaske (8), die in dieser Reihenfolge in einem optischen Strahlengang angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Lichtmodulator (2) und der Linse (7) eine Prismenanordnung (11) zur horizontalen Versetzung (9) von die Kodierfläche (4) unterteilenden k Modulatorzeilen (12, 13, 14), die jeweils mindestens aus einer Pixelreihe (5) bestehen, befindet, wobei die der Linse (7) in einer Filterebene nachgeordnete Lochblendenmaske (8) mit vorgegebenen stufenförmig versetzten Öffnungen (15, 16, 17) versehen ist, die die Fouriertransformierten der Modulatorzeilen (12, 13, 14) jeweils auf eine gleichzahlige ausgewählte Beugungsordnung begrenzen, und dass nach der Filterebene eine optische Anordnung (34, 35) mit einer zweiten Linse (38) und mit einer Ablenkeinheit (40, 41) zur Erzeugung einer vergrößerten zweidimensionalen Kodierfläche mit einem vergrößerten Sichtbarkeitsbereich (46) aus den Fouriertransformierten der horizontal versetzten Modulatorzeilen (12, 13, 14) nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierfläche (4) des Lichtmodulators (2) n Pixel (6) in x-Richtung und m Pixelreihen (5) in y-Richtung aufweist, wobei mehrere Pixelreihen (5) eine Modulatorzeile (12, 13, 14) bilden, wobei die x-Richtung und die y-Richtung einem vorgegebenen xyz-Koordinatensystem zugeordnet sind, in dem die x-Richtung die horizontale Richtung, die y-Richtung die vertikale Richtung und die z-Richtung die Richtung der optischen Achse der Vorrichtung darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenanordnung (11) aus Prismen (21, 22, 23) besteht, die in y-Richtung aneinandergesetzt sind und jeweils eine unterschiedliche Steigung (24, 25, 26) in der xz-Ebene mit verschiedenen Steigungswinkeln (–α, 0°, +α) zur x-Achse aufweisen, wobei die Steigungen (24, 25, 26) in der xz-Ebene derart bemessen sind, dass zugehörige Winkelbereiche (Өx1, Өx2, Өx3) jeweils benachbarter Modulatorzeilen (12, 13, 14) aneinander anschließen, so dass eine lückenlose Anbindung der Beugungswinkel der versetzten k Modulatorzeilen (12, 13, 14) in horizontaler x-Richtung erreichbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich (Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3) jeder Modulatorzeile (12, 13, 14) durch den maximalen Beugungswinkel des Lichtmodulators (2) in x-Richtung gegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Anordnung aus Lichtmodulator (2) und Prismenanordnung (11) wie ein einzeiliger Lichtmodulator mit n·m Pixeln wirkt, wobei eine Modulatorzeile (12, 13, 14) aus m/k Pixelreihen besteht und die Prismenanordnung (11) dem räumlichen Multiplexing dient, wobei die aneinander gesetzten Winkelbereiche (Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3) zur gleichen Zeit, jedoch räumlich getrennt, auf dem einzeiligen Lichtmodulator angezeigt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtmodulator (2) ein optisches System mit einer Linse (7) nachgeordnet ist, deren Brennweiten in x-Richtung und in y-Richtung unterschiedlich sind, wobei im Strahlengang in derselben Ebene in x-Richtung eine Fouriertransformation des Lichtmodulators (2) in der Brennebene der Linse (7) und in der y-Richtung eine Abbildung des Lichtmodulators (2) in der mit der Fourierebene ortsidentischen Abbildungsebene vorliegt, wobei Fourierebene und Abbildungsebene vorrichtungsbezogen eine Filterebene (28) darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem mit einem parallelen Strahlenbündel (29) beleuchteten Lichtmodulator (2) die Linse (7) zugeordnet ist, die in x-Richtung die Brennweite f_x aufweist und im Abstand f_x nach dem Lichtmodulator (2) angeordnet ist, wobei in der Filterebene (28) im Abstand f_x hinter der Linse (7) die Fouriertransformierte des Lichtmodulators (2) in x-Richtung entsteht, so dass die Beugungsordnungen, die sich direkt nach dem Lichtmodulator (2) in ihrem Winkel unterscheiden, in der Filterebene (28) räumlich getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (7) in y-Richtung die Brennweite f_y hat, wobei f_y = f_x/2 ist, wobei jeweils ein Abstand von 2f_y zwischen dem Lichtmodulator (2) und der Linse (7) und zwischen der Linse (7) und der Filterebene (28) vorhanden ist und wobei in der Filterebene (28) in y-Richtung eine identische Abbildung des Lichtmodulators (2) entsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblendenmaske (8) ein Filter dargestellt, das in der Filterebene (28) angebracht ist und durch die vorgegebenen Öffnungen (15, 16, 17) geformt ist, wobei von jeder Modulatorzeile (12, 13, 14) nur die ausgewählte Beugungsordnung oder die 0. Beugungsordnung, durchgelassen wird, wobei sich eine Struktur aus stufenförmig versetzten rechteckigen Öffnungen (15, 16, 17) ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches System mit Linse (7) vorgesehen ist, das eine andere Vergrößerung als Eins hat, wobei in jedem Falle in x-Richtung die Fouriertransformierte und in y-Richtung die Abbildung des Lichtmodulators (2) in derselben Filterebene (28) vorliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Anordnung (34) mittels der zweiten Linse (38) und einer Ablenkeinrichtung (40) in Form eines eindimensional wirkenden Diffusors die stufenförmigen Versetzung (9) in x-Richtung kompensiert wird, wobei die Linse (38) in x-Richtung eine Abbildung in eine Ausgangsebene (39) durchführt, in der sich die Beugungsordnungen, die in der Filterebene (28) räumlich getrennt sind, wiederum räumlich getrennt sind, wobei aufgrund der Lichtablenkung in der Prismenanordnung (11) die Strahlenbündel (18, 19, 20) der Modulatorzeilen (12, 13, 14) in unterschiedliche, aneinander angrenzende Winkelbereiche (Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3) abstrahlen und der Beugungswinkelbereich Θ_x = Θ_x1 + Θ_x2 + Θ_x3 des Lichtmodulators (2) in x-Richtung vergrößert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der eindimensional wirkende Diffusor (40) nur in y-Richtung streut, wobei durch die Streuung in y-Richtung eine kontinuierliche Winkelabdeckung (Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3) in y-Richtung erreichbar ist, die mindestens gleich Θ_y1 + Θ_y2 + Θ_y3 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Anordnung (35) bei variabler Kodierung von Informationen im Lichtmodulator (2) in y-Richtung ein eindimensionaler Drehspiegel (41) vorgesehen ist, wobei der Drehspiegel (41) das Licht des Lichtmodulators (2) in y-Richtung ablenkt, so dass während der Zeit der Drehung des Drehspiegels (41) die Kodierungen im Lichtmodulator (2) veränderbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Winkelbereiche (Θ_x1, Θ_x2, Θ_x3) der ausgewählten Beugungsordnung in x-Richtung aneinander gesetzt werden als auch ein Winkelversatz (Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3) der ausgewählten Beugungsordnungen in y-Richtung aufgrund der unterschiedlichen Positionen in der Filterebene (28) erzeugt werden, wobei die Winkelbereiche (43, 44, 45) mit (Θ_x1, Θ_y1; Θ_x2, Θ_y2; Θ_x3, Θ_y3) stufenartig aneinander gesetzt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtastmuster durch Drehen des Drehspiegels (41) zu einer zeilenweisen Aneinanderreihung der stufenversetzten Winkelbereiche (Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3) in y-Richtung ausgebildet wird, wobei durch Drehen des Drehspiegels (41) die Winkelbereiche (Θ_y1, Θ_y2, Θ_y3) in y-Richtung lückenlos aneinander gesetzt werden, so dass in einem zentralen Bereich ein rechteckig begrenzter Sichtbarkeitsbereich (46) erreicht wird.