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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von holografischen
Rekonstruktionen mit Lichtmodulatoren, zu welcher
- – mindestens
ein von mindestens einer Lichtquelle beleuchteter, pixelierter Lichtmodulator,
- – eine fokussierende Linsen-Feldanordnung, deren Linsen
jeweils einer Gruppe von kodierbaren Pixeln des Lichtmodulators
zugeordnet sind und die die Lichtquellen in einer Bildebene nach
dem Lichtmodulator als Lichtquellenabbildungen abbilden, und
- – eine Steuereinheit, die mit dem Lichtmodulator in
Verbindung steht und in der die holografische Kodierung der pixelierten
Kodierfläche des Lichtmodulators mittels programmtechnischer
Mittel berechnet wird,
gehören.
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Unter
einem pixelierten Lichtmodulator wird im Rahmen dieses Dokuments
nicht notwendig ein aus einer diskreten Anordnung von steuerbaren
Elementen bestehender Modulator verstanden. Es kann sich auch um
einen Modulator mit kontinuierlicher Kodierfläche handeln,
die durch die darzustellende Information formal in diskrete Elemente
unterteilt wird.
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Ebenso
werden unter einer Linse bzw. Linsen-Feldanordnung nicht notwendig
herkömmliche Glaslinsen verstanden, sondern es kann sich
im weiteren Sinne auch um refraktive oder diffraktive optische Elemente
handeln, die die gleiche Funktion erfüllen.
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Eine
Einrichtung zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen von
Darstellungen, insbesondere von dreidimensionalen Szenen, ist in
der Druckschrift
WO
2006/119920 A1 beschrieben.
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Werden
Informationen zum Beispiel eines computergenerierten Hologramms
auf dem pixelierten Lichtmodulator gespeichert, so entsteht in einem Rekonstruktionsraum
eine Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene, wenn der Lichtmodula tor
mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet wird. Es entstehen
aber auch unerwünschte periodische Wiederholungen in Form
von höheren Beugungsordnungen aufgrund der diskreten Darstellung
des Hologramms im Lichtmodulator. Es können je nach der verwendeten
Kodierung des Hologramms aber auch innerhalb einer Beugungsordnung
unerwünschte Bereiche auftreten, die herausgefiltert werden
müssen.
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Ein
herkömmliches Verfahren, um störende Beugungsordnungen
zu eliminieren, ist die Verwendung einer Filtereinheit, zum Beispiel
einer 4f-Anordnung, mit der solche Beugungsordnungen herausgefiltert
werden können. Die Filtereinheit kann dabei so dimensioniert
sein, dass sie Bereiche durchlässt, die kleiner oder gleich
einer Beugungsordnung sind.
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Ein
derartiges Verfahren wird beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2005 023 743
A1 angewandt. In dieser Druckschrift sind eine holografische Projektionsvorrichtung
und ein Verfahren zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen
von Szenen für ein- und zweidimensional kodierbare Lichtmodulatoren
beschrieben, die eine Lichtquelle, ein optisch fokussierendes System,
den jeweils zugehörigen Lichtmodulator, ein Projektionssystem
und eine zwischen dem Lichtmodulator und dem Projektionssystem angeordnete
Filterblende, die sich in der Bildebene der Lichtquellenabbildung
befindet, enthält.
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Das
optisch fokussierende System stellt für den Lichtmodulator
eine Beleuchtungsoptik und für die Lichtquelle eine Abbildungsoptik
dar, die die Lichtquelle in die Bildebene der Beleuchtungsoptik abbildet,
wobei im Bild der Lichtquelle zugleich die Fouriertransformierte
des Lichtmodulators entsteht.
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In
der Projektionsvorrichtung ist eine Steuereinheit vorhanden, die
nicht nur für die dynamische Kodierung des Lichtmodulators,
sondern auch für die Nachführung des Sichtbarkeitsbereiches
und somit auch der holografischen Rekonstruktion entsprechend der
Betrachterposition vorgesehen ist. Dazu ist ein Positionierungserfassungssystem
vorhanden, das mit der Steuereinheit verbunden ist. Dabei wird die
Kodierung des Lichtmodulators verändert, wobei in Abhängigkeit
von der Position des Betrachters die Rekonstruktion der dreidimensionalen
Szene in horizonta ler, vertikaler und/oder axialer Position horizontal
und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar
ist.
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In
einer dimensionierten Abwandlung der Größenverhältnisse
zur genannten Projektionsvorrichtung bei einer vergrößerten
und betrachtergenehm angepassten Direktsichteinrichtung, z. B. mit einem
Display mit einer Diagonale von zwanzig Zoll als Größe
eines typischen Desktop-Monitors, erfolgt eine Filterung an dem
Lichtmodulator, wobei eine einzelne Lichtquelle zur kohärenten
Ausleuchtung des gesamten Lichtmodulators in Kombination mit einer Filtereinheit
vorhanden ist. Zur Direktsichteinrichtung für das Zwanzig-Zoll-Display
können die Lichtquelle, ein optisch fokussierendes System,
der jeweils zugehörige Lichtmodulator, ein Projektionssystem
und eine zwischen dem Lichtmodulator und dem Projektionssystem angeordnete
Filterblende, die sich in der Bildebene der Lichtquellenabbildung
befindet, gehören. Die Filterblende weist eine Blendenöffnung
auf, die nur die vorgesehene eine Beugungsordnung der Fouriertransformierten
des Lichtmodulators durchlässt. Das Projektionssystem bildet
die Blendenöffnung in eine weitere Ebene, die zugleich
die Betrachterebene ist, ab. In der Betrachterebene kann in einem
Sichtbarkeitsbereich, der einer Beugungsordnung des Fourierspektrums
entspricht, die Visualisierung der holografischen Rekonstruktion
durch einen Betrachter erfolgen.
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Die
zugehörige Filtereinheit erfordert neben der Filterblende
zumindest zwei Linsen, von denen mindestens eine ungefähr
so groß wie der Lichtmodulator selbst ist, der das Display
darstellt. Das bedeutet beispielsweise für den Fall des
holografisch kodierten Zwanzig-Zoll-Displays eine Großlinse
von mindestens vierzig Zentimeter Durchmesser.
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Da
Linsen üblicherweise eine brauchbare Abbildungsqualität
nur für ein bestimmtes Verhältnis von Brennweite
zu Apertur von deutlich größer als Eins haben
und die Filterung am Ort der Abbildung der Lichtquelle, in diesem
Fall in der Brennebene der ersten Linse, stattfindet, wird in diesem
Beispiel eine Filtereinheit – erste Großlinse,
Filterblende, zweite Großlinse – benötigt,
die eine Tiefenausdehnung von der Größenordnung
wesentlich größer als vierzig Zentimeter vor dem
Licht modulator hat. Bei der Direktsichteinrichtung mit einem Lichtmodulator
als Bildschirm ist es, wenn es sich um ein großes Display – zum
Beispiel zwanzig Zoll – handelt, sehr aufwändig,
eine Großlinse von ungefähr der Größe
des Bildschirms zu vorzusehen. wobei außerdem die Filtereinheit
dann die genannte, sehr große Tiefenausdehnung hat.
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Ein
Problem besteht darin, dass damit der Aufbau einer holografischen
Direktsichteinrichtung mit den dargestellten Dimensionen der optischen Komponenten
in unerwünschter Weise sehr voluminös und schwer
ausgebildet ist.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass in der Displayholografie aufgrund
der gegenwärtig nutzbaren Pixelabmessungen typischer Lichtmodulatoren
sehr kleine nutzbare Beugungswinkel vorhanden sind, die wiederum
ein kleines Betrachtungsfenster bedingen.
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Ein
in der Druckschrift
US 3,633,989 beschriebenes
Verfahren der Displayholografie sieht vor, dass HPO-Hologramme (engl.
horizontal parallex only holograms) eingesetzt werden, bei denen eine
Hologrammkodierung nur in einer Dimension erfolgt. Dabei werden
normalerweise in jede Zeile eines Lichtmodulators unabhängig
voneinander berechnete Werte für das eindimensionale Hologramm
eingeschrieben. Ein Gewinn für den Beugungswinkel kann dann
dadurch erzielt werden, dass Hologrammwerte, die gewöhnlich
in mehreren nebeneinanderliegenden Pixeln kodiert werden, in diesem
Fall in untereinanderliegenden Pixeln mehrerer Zeilen kodiert werden können.
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Bei
Verwendung von eindimensionalen holografischen Kodierungen innerhalb
des Lichtmodulators kann nur eine eindimensionale Rekonstruktion stattfinden.
Die am eindimensionalen HPO-Hologramm des Lichtmodulators gebeugte
Lichtwelle dehnt sich entsprechend in horizontaler Richtung in dem
Sichtbarkeitsbereich aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung
holografischer Rekonstruktionen mit Lichtmodulatoren anzugeben,
die derart geeignet ausgebildet ist, dass einesteils eine kostenaufwändige
Anordnung zumindest des optischen Systems vermieden und andernteils
der für den Sichtbarkeitsbereich nutzbare Beugungswinkel erhöht
werden. Dabei sollen die Abmessungen der Einrichtung in axialer
Richtung möglichst gering gehalten werden.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Zur
Einrichtung zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen mit
Lichtmodulatoren gehören
- – mindestens
ein von mindestens einer Lichtquelle beleuchteter, pixellierter
Lichtmodulator,
- – eine fokussierende Linsen-Feldanordnung, deren Linsen
jeweils einer Gruppe von kodierbaren Pixeln des Lichtmodulators
zugeordnet sind und die die Lichtquellen in einer Bildebene nach
dem Lichtmodulator als Lichtquellenabbildungen abbilden, und
- – eine Steuereinheit, die mit dem Lichtmodulator in
Verbindung steht und in der die holografische Kodierung der pixelierten
Kodierfläche des Lichtmodulators mittels programmtechnischer
Mittel berechnet wird,
wobei gemäß dem
Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 dem Lichtmodulator eine mit
einer Vielzahl von Lochblenden versehene Filterblenden-Feldanordnung
zugeordnet ist, die sich im Bereich der Bildebene der Lichtquellenabbildungen
befindet und deren Lochblenden derart innerhalb der Filterblenden-Feldanordnung
ausgebildet sind, dass die Lochblenden jeweils einen vorgegebenen
Bereich von der Größe kleiner oder gleich einer
Beugungsordnung aus dem durch die holografische Kodierung des Lichtmodulators
entstehenden Beugungsspektrum durchlassen.
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Zur
Beleuchtung des Lichtmodulators kann vor dem Lichtmodulator eine
Lichtquelle mit einer Strahlaufweitungsoptik angeordnet sein.
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Dabei
kann zwischen der Strahlaufweitungsoptik und der fokussierenden
Linsen-Feidanordnung ein dynamischer Shutter-Modulator vorgesehen
sein.
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Alternativ
kann zur Beleuchtung des Lichtmodulators eine vor dem Lichtmodulator
positionierte Lichtquellen-Feldanordnung mit einer Vielzahl von Lichtquellen
angeordnet sein.
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Die
Einrichtung kann eine Lichtquellen-Feldanordnung, eine erste Linsen-Feldanordnung
als Strahlaufweitungsoptik und eine zweite Linsen-Feldanordnung
mit mehreren sphärischen Linsen als Bildschirm für
den Betrachter aufweisen.
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Der
Lichtquelle oder der ersten Lichtquellen-Feldanordnung ist eine
Energieversorgungseinrichtung zugeordnet.
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Die
Steuereinheit zur Kodierung des Lichtmodulators ist ein Teil eines
Steuersystems, zu dem eine Einheit zur Steuerung der Lichtquellen-Feldanordnung
und/oder eine Einheit zur Steuerung der Filterblenden-Feldanordnung
sowie eine Positionserfassungseinheit für den momentanen
Standort des Betrachters gehören.
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Die
Positionserfassungseinheit kann mit den beiden Einheiten zumindest
signaltechnisch verbunden sein.
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Die
beiden Einheiten können wahlweise mit einer Verschiebeeinrichtung
in Verbindung stehen, die die als bewegbare Komponenten ausgebildeten Lichtquellen
der Lichtquellen-Feldanordnung und/oder die Filterblenden der Filterblenden-Feldanordnung
je nach Signalen aus der Positionserfassungseinheit in ihrer jeweiligen
Ebene verschiebt. Es kann aber auch die Linsen-Feldanordnung verschiebbar
ausgebildet sein.
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Die
Lichtquellen- bzw. Filterblenden-Feldanordnungen können
sowohl als statische als auch als dynamische, von dem Steuerungssystem
einstellbare optische Komponenten ausgebildet sein.
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Die
pixelierter Kodierfläche des Lichtmodulators kann beispielsweise
quadratisch ausgebildete Pixel aufweisen.
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Die
erste Linsen-Feldanordnung stellt für den Lichtmodulator
eine Beleuchtungsoptik und für die Lichtquellen-Feldanordnung
eine Abbildungsoptik dar, die die Lichtquellen-Feldanordnung in
die als Fourierebene des Lichtmodulators gegebene Brennebene abbildet,
wobei die Bilder der Lichtquellen-Feldanordnung mit den Fouriertransformierten der
durchstrahlten Pixel des jeweiligen Teilbereiches des Lichtmodulators
zusammenfallen und wobei die die vorgegebene Beugungsordnung durchlassende Filterblenden-Feldanordnung
im Bereich der Brennebene platziert ist.
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Die
Filterblenden-Feldanordnung kann ein Raster von Lochblenden aufweisen,
die jeweils nur die vorgegebene eine Beugungsordnung der Fouriertransformierten
oder Teile davon durchlassen.
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Die
projizierende zweite Linsen-Feldanordnung mit den insbesondere zweidimensional
ausgebildeten, sphärischen Linsen bildet die Lochblenden der
Filterblenden-Feldanordnung in eine zweite Ebene, die zugleich die
Betrachterebene ist, ab. Die gegenseitige Anordnung der Linsen und
Filterblenden ist dabei so gewählt, dass die Abbildungen
aller Lochblenden in der Betrachterebene zusammenfallen und ein
Betrachterfenster bilden.
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Die
erste Linsen-Feldanordnung kann eine zweidimensionale Anordnung
mit sphärischen Linsen sein, die nach den Punktlichtquellen
der Lichtquellen-Feldanordnung angeordnet sind.
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Eine
einzelne sphärische Linse der ersten Linsen-Feldanordnung
und eine einzelne sphärische Linse der zweiten Linsen-Feldanordnung
können eine Abmessung im Bereich von typischerweise etwa drei
bis zehn Millimeter haben.
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Die
Größe der Lochblenden der Filterblenden-Feldanordnung
ist von dem Pixel-Pitch p des Lichtmodulators und der Brennweite
der Linsen der ersten Linsen-Feldanordnung abhängig.
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Die
Filterblenden-Feldanordnung kann als ein Shutter-Modulator ausgebildet
sein, dessen steuerbare Öffnungen im Bereich möglicher
Abmessungen eines oder mehrerer Pixel des Shutter-Modulators liegen.
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Die
programmtechnischen Mittel für die Kodierung der Pixel
des Lichtmodulators in der Steuereinheit können auf den
Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung abgestimmt
sein.
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Im
Falle der Verwendung von HPO-Hologrammen kann die Kodierung der
Hologrammwerte in mehreren horizontal oder vertikal nebeneinanderliegenden
Pixeln einer oder mehrerer Zeilen des Lichtmodulators erfolgen.
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In
dem Steuersystem, insbesondere in der zugehörigen Steuereinheit,
ist es möglich, eine holografische Kodierung nur in einer
Dimension vorzunehmen, wobei die in eine Gruppe von Zeilen oder Spalten
des Lichtmodulators eingeschriebenen Werte zueinander in Bezug stehen.
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Dann
kann die erste Linsen-Feldanordnung eine Lentikular-Feldanordnung
mit Zylinderlinsen darstellen, die von Linienlichtquellen beleuchtet
wird und der eine Filterblenden-Feldanordnung mit schlitzförmigen
Blenden zugeordnet ist.
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Eine
hinreichend kohärente Beleuchtung des Lichtmodulators muss
dann nur jeweils im Bereich der Gruppe von wenigen Zeilen durchgeführt
werden.
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Zur
Nachführung des Sichtbarkeitsbereiches für den
Betrachter kann als Filterblenden-Feldanordnung ein dynamischer
Shutter-Modulator zur Verschiebung der Position der Blenden eingesetzt
sein.
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Die
Lichtquellen-Feldanordnung kann aus einer zeitlich nacheinander
einschaltbaren Anordnung von angrenzenden Lichtquellen bestehen,
womit in einem bestimmten Zeitintervall ein bestimmter vertikaler
Bereich ausleuchtbar ist, was durch das Steuersystem einstellbar
ist.
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Zur
Vergrößerung des vom Betrachter nutzbaren Sichtbarkeitsbereiches,
insbesondere in vertikaler Richtung, können Zerstreuungslinsen
eingesetzt sein, wobei die Gesamtheit der Zerstreuungslinsen ebenfalls
in Form einer Zerstreuungslinsen-Feldanordnung ausgebildet und der
Filterblenden-Feldanordnung unmittelbar nachgeordnet sein kann.
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Wahlweise
können je nach verwendetem Aufbau und vorgesehener Kodierung
des Lichtmodulators eindimensionale, schlitzförmige oder
zweidimensionale lochartige Filterblenden-Feldanordnungen eingesetzt
sein.
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Die
Filterblenden-Feldanordnung kann statisch in Form einer Lochmaske
ausgebildet sein.
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Zur
Nachführung des Sichtbarkeitsbereiches oder zur regelmäßigen
Abtastung eines bestimmten Sichtbereiches kann die Realisierung
einer dynamischen Filterblenden-Feldanordnung über die
signaltechnischen Verschiebeeinrichtungen des Steuersystems vorgesehen
sein.
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Die
Filterblenden-Feldanordnung kann ein schnell schaltender Amplituden-Lichtmodulator
sein, bei dem die Variation der Transmission einzelner Pixel eine
Filterung bewirkt, wobei die aufgeschalteten Pixel, die dann als
Lochblenden wirken, etwa der Größe der Öffnung
der Lochblenden der statischen Filterblenden-Feldanordnung entsprechen.
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Die
Lichtquellen-Feldanordnung kann in Abstimmung mit der dynamischen
Filterblenden-Feldanordnung ein schnell schaltender Amplituden-Lichtmodulator
sein, der von einer Lichtquelle im Ganzen beleuchtet wird und bei
dem die Variation der Transmission einzelner Pixel einen Lichtstrahlendurchlass bewirkt,
wobei die Pixel, die dann als Strahldurchlassöffnung wirken,
etwa die Größe des Durchmessers der Lichtquellen
der statischen Lichtquellen-Feldanordnung haben.
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Die
Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels
mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Seitenansicht oder Draufsicht einer
erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung von
holografischen Rekonstruktionen,
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2 einen
Ausschnitt der Kodierfläche eines zweidimensional kodierbaren
pixelierten Lichtmodulators mit quadratischen Pixeln,
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3 eine
schematische Darstellung der Seitenansicht einer Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen, wobei
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3a die
Anordnung von erfindungswesentlichen Komponenten der Einrichtung
und
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3b einen
Ausschnitt der Kodierfläche eines eindimensional kodierbaren
pixelierten Lichtmodulators zeigen,
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4 eine
schematische Darstellung der Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen mit
einer verstellbaren Filterblenden-Feldanordnung und einer verstellbaren
Lichtquellen-Feldanordnung nach 1 und 3a und
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5 eine
schematische Darstellung der Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen nach 3a mit
einer Zerstreuungslinsen-Feldanordnung.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Einrichtung 1 zur holografischen Rekonstruktion einer dreidimensionalen
Szene 9 mit einem Lichtmodulator 2 gezeigt, die
ein Gehäuse 3 aufweist, in dem sich zumindest
- – eine Lichtquellen-Feldanordnung 4 mit
mehreren Lichtquellen 41,
- – mindestens ein pixellierter Lichtmodulator 2,
der der Lichtquellen-Feldanordnung 4 nachgeordnet ist,
- – eine fokussierende Linsen-Feldanordnung 5, deren
Linsen 51 jeweils einer Gruppe von kodierbaren Pixeln 21 des
Lichtmodulators 2 zugeordnet sind und die die einzelnen
Lichtquellen 41 der Lichtquellen-Feldanordnung 4 in
einer Bildebene 6 nach dem Lichtmodulator 2 als
Lichtquellenabbildungen 42 abbilden, und
- – eine Steuereinheit 7, die mit dem Lichtmodulator 2 in
Verbindung steht und in der die holografische Kodierung der pixelierten
Kodierfläche 22 des Lichtmodulators 2 mit
programmtechnischen Mitteln berechnet wird,
befinden.
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Erfindungsgemäß ist
dem Lichtmodulator 2 eine mit einer Vielzahl von Lochblenden 81 versehene
Filterblenden-Feldanordnung 8 zugeordnet, die sich im Bereich
der Bildebene 6 der Lichtquellenabbildungen 42 befindet
und deren Lochblenden 81 derart innerhalb der Filterblenden-Feldanordnung 8 ausgebildet
sind, dass die Lochblenden jeweils eine vorgegebene Beugungsordnung
oder Teile davon aus dem durch die holografische Kodierung des Lichtmodulators
entstehenden Beugungsspektrum durchlassen.
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In
der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 in 1 können
des Weiteren anstelle der Lichtquellen-Feldanordnung 4 eine
Lichtquelle 11 mit einer Strahlaufweitungsoptik 12 sowie
eine zweite Linsen-Feldanordnung 13 mit mehreren sphärischen Linsen 131 als
Schirm für den Betrachter 14 vorhanden sein. Der
Lichtquelle 11 oder in Unabhängigkeit von der
Lichtquelle 11 der ersten Lichtquellen-Feldanordnung 4 ist
eine Energieversorgungseinrichtung 15 zugeordnet. Die Steuereinheit 7 zur
Kodierung des Lichtmodulators 2 kann ein Teil eines Steuersystems 16 sein,
zu dem gemäß 1 noch eine
Einheit 17 zur Steuerung der Lichtquellen-Feldanordnung 4 und
eine Einheit 18 zur Steuerung der Filterblenden-Feldanordnung 8 sowie
eine Positionserfassungseinheit 19 für den Standort
des Betrachters 14 gehören können. Die
Positionserfassungseinheit 19 ist mit den beiden Einheiten 17 und 18 zumindest
signaltechnisch verbunden. Die beiden Einheiten 17 und 18 stehen
mit einer Verschiebeeinrichtung 20 in Verbindung, die die
bewegbaren Komponenten wie z. B. die Lichtquellen 41 der
Lichtquellen-Feldanordnung 4 und/oder die Filterblenden 81 der
Filterblenden-Feldanordnung 8 oder auch die Linsen der
Linsen-Feldanordnung je nach Signalen aus der Positionserfassungseinheit 19 in
ihrer jeweiligen Ebene verschiebt.
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Die 1 zeigt
somit eine Filterung an einem holografisch kodierten Lichtmodulator 2,
der als Teil der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 ausgebildet
ist und der die Lichtquellen-Feldanordnung 4 in Kombination
mit der ersten Linsen-Feldanordnung 5, der Filterblenden-Feldanordnung 8 sowie
der zweiten Linsen-Feldanordnung 13 verwendet.
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In 2 ist
schematisch die pixelierte Kodierfläche 22 des
Lichtmodulators 2 dargestellt, wobei sich die hier quadratisch
ausgebildeten Pixel 21 in xy-Richtung des in 1 angegebenen
xyz-Koordinatensystems 10 erstrecken. Dabei ist p der Mittenabstand
zweier benachbarter Pixel 21 und die Koordinate z die Erstreckungsrichtung
der zur Einrichtung 1 angeordneten, zugehörigen
optischen Komponenten.
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In 1 stellt
die erste Linsen-Feldanordnung 5 für den Lichtmodulator 2 eine
Beleuchtungsoptik und für die Lichtquellen-Feldanordnung 4 eine Abbildungsoptik
dar, die die Lichtquellen-Feldanordnung 4 in die als Fourierebene
des Lichtmodulators gegebene Brennebene 6 abbildet, wobei
die Bilder der Lichtquellen-Feldanordnung 4 mit den Fouriertransformierten
der durchstrahlten Pixel des jeweiligen Teilbereiches des Lichtmodulators 2 zusammenfallen
und wobei die die vorgegebene Beugungsordnung durchlassende Filterblenden-Feldanordnung 8 im
Bereich der Brennebene platziert ist. Die Filterblenden-Feldanordnung 8 weist
ein Raster von Lochblenden 81 auf, die jeweils nur die
vorgesehene eine Beugungsordnung der Fouriertransformierten oder Teile
davon durchlässt. Die projizierende zweite Linsen-Feldanordnung 13 mit
den zweidimensional angeordneten, sphärischen Linsen 131 bildet
die Lochblenden 81 in eine zweite Ebene 61, die
zugleich die Betrachterebene ist, ab, wobei sich die Bilder der
einzelnen Lochblenden 81 in einem Sichtbarkeitsbereich überlagern.
In der Betrachterebene kann in dem Sichtbarkeitsbereich, der einer
Beugungsordnung des Fourierspektrums entspricht, die Visualisierung der
holografischen Rekonstruktion 9 der dreidimensionalen Szene
durch einen Betrachter 14 erfolgen.
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Die
erste Linsen-Feldanordnung 5 kann eine zweidimensionale
Anordnung mit sphärischen Linsen 51 sein, die
nach den Punktlichtquellen 41 der Lichtquellen-Feldanordnung 4 angeordnet
sind, wobei auch eine zweidimensionale Filterblenden-Feldanordnung 8 von
Lochblenden 81 und eine zweite Linsen-Feldanordnung 13 vorgesehen
ist. Die Einrichtung 1 stellt in 1 einen
Schnitt durch die Zeilen oder Spalten der Feldanordnungen 4, 5, 6, 13 dar.
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Eine
einzelne Linse 51 der ersten Linsen-Feldanordnung 5 und
eine einzelne Linse 131 der zweiten Linsen-Feldanordnung 13 können
beispielsweise eine Abmessung im Bereich von typischerweise drei
bis zehn Millimeter haben.
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Insgesamt
erhöht sich durch die Filterung mit den Feldanordnungen 4, 5, 6, 13 die
Tiefe des Aufbaus der Einrichtung 1 in z-Richtung nur in
moderatem Maße und bleibt weitgehend unter den Abmessungen
der im Stand der Technik beschriebenen Großlinsen.
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Die
Filterblenden-Feldanordnung 8 ist dabei ein zweidimensionales
Raster mit kleinen Öffnungen – den Lochblenden 81 –.
Die Größe der Öffnungen 81 ist
abhängig von dem in 2 gezeigten
Pixel-Pitch p des Lichtmodulators 2 und der Brennweite
der Linsen 51 der ersten Linsen-Feldanordnung 5,
die die Ausdehnung einer Beugungsordnung in der Fourierebene bestimmen.
Ein vorgegebener Wert kann im Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,2 mm
liegen.
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Die
Filterblenden-Feldanordung 8 kann aber auch als ein Shutter-Modulator
mit steuerbaren Öffnungen ausgebildet sein, deren Ausdehnung
im Bereich möglicher Abmessungen eines oder mehrerer Pixel
des Shutter-Modulators liegen.
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Die
in der Steuereinheit 7 vorhandenen, programmtechnischen
Mittel für die holografische Kodierung der Pixel 21 des
Lichtmodulators 2 können auf den Aufbau der Einrichtung 1 abgestimmt
sein.
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In 3, 3a ist
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Einrichtung 1 zur Erzeugung von holografischen Rekonstruktionen 91 in
abgerüsteter Form gegenüber 1 gezeigt,
die aus einer Lichtquellen-Feldanordnung 43, aus einer ersten
Linsen-Feldanordnung 5, einem Lichtmodulator 23 und
einer dem Lichtmodulator 23 nachgeordneten Filterblenden-Feldanordnung 8,
die sich in der Bildebene 6 der Lichtquellenabbildungen 42 befindet, besteht.
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Zur
Reduzierung der für die Hologramme benötigten
Rechenzeit ist in der Displayholografie vorgesehen, dass HPO-Hologramme
(engl. horizontal parallax only holograms) eingesetzt werden, bei
denen eine Hologrammkodierung nur in einer Dimension, z. B. in y-Richtung,
wie in 3, 3b gezeigt ist, erfolgt. Dabei
werden normalerweise in jede Zeile des Lichtmodulators 23 unabhängig
voneinander berechnete Werte eingeschrieben. Bei Verwendung von
eindimensionalen holografischen Kodierungen 24, 25, 26, 27 innerhalb
des Lichtmodulators 23 kann nur eine eindimensionale Rekonstruktion
stattfinden. Die z. B. am eindimensionalen HPO-Hologramm des Lichtmodulators 23 gebeugte
Lichtwelle dehnt sich entsprechend nur in horizontaler Richtung
in dem Sichtbarkeitsbereich 61 aus.
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In
diesem Fall kann die erste Linsen-Feldanordnung 5 und/oder
zweite Linsen-Feldanordnung 13 in 1 eine Lentikular-Feldanordnung
mit Zylinderlinsen sein, die durch linienförmige Lichtquellen 41 beleuchtet
wird und der eine Filterblenden-Feldanordnung 8 mit schlitzförmigen
Blenden 81 zugeordnet ist. Für HPO-Hologramme
zeigt 1 eine Draufsicht auf die Einrichtung 1.
Generell sind aber auch VPO-(engl. vertical parallax only)Hologramme
denkbar, bei denen alles um 90 Grad gedreht ist.
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Zur
Vergrößerung des Beugungswinkels und damit des
nutzbaren Sichtbarkeitsbereiches 61 kann es im Fall eines
HPO-Hologramms z. B. möglich sein, zur Kodierung eines
komplexen Hologrammwertes anstelle mehrerer Spalten eine Kombination
aus mehreren Zeilen eines Hologramms zu verwenden.
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Eine
Möglichkeit der Berechnung in der Steuereinheit 7 hierzu
ist zum Beispiel eine Repräsentation einer komplexen Zahl
durch mehrere Phasenwerte, wobei die Berechnung einer eindimensionalen
Anordnung komplexer Hologrammwerte in horizontaler Richtung, in
y-Richtung, die Anordnung der Phasenwerte zu jeweils einer komplexen
Zahl aber in vertikal übereinander liegenden Pixeln erfolgt.
Dazu ist auch eine kohärente Beleuchtung nur jeweils der Gruppe 28 von
wenigen Zeilen 24, 25, 26, 27 nötig. Wird
aber eine Gruppe 28 von Zeilen 24, 25, 26, 27 eines
Lichtmodulators 23 kohärent beleuchtet, so entsteht
allerdings ein in vertikaler Richtung, in x-Richtung, unerwünschter
winkelabhängig variierender Gangunterschied zwischen den
einzelnen Zeilen, der zu Abweichungen von der erwarteten Rekonstruktion
führt.
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In
der 3, 3a erfolgt bei einer kohärenten
Beleuchtung mehrerer Zeilen 24, 25, 26, 27 die
Hologrammberechnung nur mit horizontaler Parallaxe, und die Filterung
erfolgt mittels einer Filter-Feldanordnung 8 von schlitzförmigen
Filterblenden 81, je einer für jeweils eine Gruppe 28 kohärent beleuchteter
Zeilen 24, 25, 26, 27. Das eröffnet
die Möglichkeit, Hologrammwerte, die bisher in horizontal
nebeneinanderliegenden Pixeln kodiert waren, in vertikal untereinanderliegenden
Pixeln zu kodieren.
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Während
bei Filtereinheiten vom Typ 4f-Anordnung gemäß 1 eine
Anordnung von mindestens zwei nachgeordneten Linsen-Feldanordnungen 5 und 13 benötigt
wird, von denen die erste Linsen-Feldanordnung 5 eine Fouriertransformation
und die zweite Linsen-Feldanordnung 13 eine Rücktransformation
durchführt, ist bei dieser speziellen Problemstellung,
bei der wenige Lichtmodulator-Zeilen 24, 25, 26, 27 kohärent
addiert werden, keine Rücktransformation nach der Filterebene 6,
wie in den 3, 4, 5 gezeigt
ist, nötig.
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Die
komplexen Werte auf dem Lichtmodulator 23 in den 3a, 4, 5 werden
in der Steuereinheit 7 nur durch eine eindimensionale Fouriertransformation
in horizontaler Richtung berechnet.
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In
der vertikalen Richtung wird in der Filterebene 6 das gewünschte
Signal als kohärente Addition mehrerer Lichtmodulator-Zeilen 24, 25, 26, 27 selbst – nicht
seine Fouriertransformierte – durchgelassen beziehungsweise
unerwünschte Anteile davon herausgefiltert. Notwendig ist
jedoch, dass, wie in 4 gezeigt ist, sich ein Betrachter 14 im
Sichtbarkeitsbereich 61 auch vertikal bewegen und der Betrachter 14 die
Rekonstruktion 91 bzw. die dazu verschobene Rekonstruktion 92 von
ver schiedenen vertikalen Positionen aus sehen kann. Dazu muss Licht
von der Filterebene 6 in die entsprechende vertikale Position
gelangen.
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Dafür
ist in 5 eine Zerstreuungslinsen-Feldanordnung im Anschluss
an die Filterebene 6 vorgesehen, die den Winkel aufweitet,
unter dem sich das Licht in vertikaler Richtung ausbreitet.
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Eine
günstige Alternative zur Einstellung des Sichtbarkeitsbereiches
in der Ebene 61 auf den Betrachter 14 kann jedoch
ein dynamischer Shutter zur Verschiebung der Position der Filterblenden 81 in
der Filterblenden-Feldanordnung 8 sein. Dies kann erfolgen
in Kombination entweder mit einer Änderung der auf dem
Lichtmodulator 2, 23 dargestellten Werte – zum
Beispiel muss bei einer Phasenkodierung jeweils für eine
komplette Zeile ein bestimmter Phasenoffset addiert werden – oder
mit einer bewegbaren Lichtquellen-Feldanordnung 4. Das
hat den Vorteil, dass auch ein vergleichsweise langsam schaltender Lichtmodulator 2 verwendet
werden kann.
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Letzteres
kann auch, wie z. B. in 4 gezeigt, eine Lichtquellen-Feldanordnung 4 sein,
bei der nebeneinanderliegende Lichtquellen zeitlich nacheinander
unter Steuerung der Einheit 17 eingeschaltet werden. Damit
kann in einem bestimmten Zeitintervall ein bestimmter vertikaler
Bereich, mit dem Richtungszeichen L belegt, abgetastet werden.
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4 zeigt
auch eine mögliche Verschiebung, mit dem Richtungszeichen
F belegt, der Filterblenden 81 der Filterblenden-Feldanordnung 8 in
der Filterebene 6, wobei die Filterblenden-Feldanordnung
auch als ein dynamischer Lichtmodulator ausgebildet sein kann.
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5 zeigt
die genannte Möglichkeit der Verwendung zusätzlicher
Zerstreuungslinsen 52 zur Vergrößerung
des vom Betrachter 14 nutzbaren Sichtbarkeitsbereiches 61,
wobei die Gesamtheit der parallel zueinander gerichteten Zerstreuungslinsen 52 ebenfalls
in Form einer Zerstreuungslinsen-Feldanordnung 53 ausgebildet
und der Filterblenden-Feldanordnung 8 unmittelbar nachgeordnet
sein kann.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung 1 ermöglicht
es, dass in Kombination mit einer Lichtquellen-Feldanordnung 4 für
jeden einzelnen, von einer Lichtquelle 41 hinreichend kohärent
beleuchteten Bereich eines Hologramms für sich jeweils
eine Filterung unerwünschter Beugungsordnungen vorgenommen
werden kann. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz kleiner
kompakter Filtereinheiten, die auch vor einem großen holografischen
Schirm 13 angebracht werden können. Wahlweise
je nach verwendetem Aufbau und vorgesehener Kodierung des Lichtmodulators 2, 23 kann
der Einsatz eindimensionaler – bevorzugt schlitzförmiger – oder
zweidimensionaler lochartiger Filterblenden-Feldanordnungen 8 möglich
sein.
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Die
Filterblenden-Feldanordnung 8 kann statisch in Form einer
Lochmaske ausgebildet sein.
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Eine
andere Möglichkeit der Einrichtung 1, die eine
Nachführung oder eine regelmäßige Abtastung
eines bestimmten Sichtbarkeitsbereiches 61 für den
Betrachter 14 erlaubt, ist die dynamische Ausführung
der Filterblenden-Feldanordnung 8 über die signaltechnischen
Verschiebeeinrichtungen 20 des Steuersystems 16.
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Dann
kann die Filterblenden-Feldanordnung 8 z. B. ein schnell
schaltender Amplituden-Lichtmodulator sein, bei dem die Variation
der Transmission einzelner Pixel bzw. Pixelgruppen eine Filterung
bewirkt. Die Pixel bzw. Pixelgruppen, die dann als Lochblenden 81 wirken
können, haben dann etwa die Größe der Öffnung
der Lochblenden 81. Da die einzelnen Filtereinheiten der
Filterblenden-Feldanordnung 8 mit relativ zueinander inkohärenten
Lichtquellen beleuchtet werden, entsteht durch die Filterblenden-Feldanordnung 8 keine
neue Beugungsstruktur.
-
Die
Lichtquellen-Feldanordnung 4 kann in Abstimmung mit der
Filterblenden-Feldanordnung 8 ein schnell schaltender Amplituden-Lichtmodulator sein,
bei dem die Variation der Transmission einzelner Pixel bzw. Pixelgruppen
einen Lichtdurchlass bewirkt, wobei die Pixel bzw. Pixelgruppen,
die dann als Lichtdurchlassöffnung wirken, etwa die Größe
des Durchmessers der Lichtquellen 41 der statischen Lichtquellen-Feldanordnung
haben.
-
- 1
- Einrichtung
- 2
- Lichtmodulator
- 21
- Pixel
- 22
- Kodierfläche
- 23
- Lichtmodulator
- 24
- Zeile
- 25
- Zeile
- 26
- Zeile
- 27
- Zeile
- 28
- Gruppe
- 3
- Gehäuse
- 4
- Lichtquellen-Feldanordnung
- 41
- Lichtquellen
- 42
- Lichtquellenabbildungen
- 43
- Lichtquellen-Feldanordnung
- 5
- Linsen-Feldanordnung
- 51
- Linsen
- 52
- Zerstreuungslinsen
- 53
- Zerstreuungslinsen-Feldanordnung
- 6
- Bildebene
- 61
- Sichtbarkeitsbereich
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Filterblenden-Feldanordnung
- 81
- Lochblenden
- 9
- Rekonstruktion
- 91
- Rekonstruktion
- 92
- Verschobene
Rekonstruktion
- 93
- Vergrößerte
Rekonstruktion
- 10
- xyz-Koordinatensystem
- 11
- Lichtquelle
- 12
- Strahlaufweitungsoptik
- 13
- Zweite
Linsen-Feldanordnung
- 131
- Linsen
- 14
- Betrachter
- 15
- Energieversorgungseinheit
- 16
- Steuersystem
- 17
- Einheit
zur Steuerung der Lichtquellen-Feldanordnung
- 18
- Einheit
zur Steuerung der Filterblenden-Feldanordnung
- 19
- Positionserfassungssystem
- 20
- Verschiebeeinrichtungen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2006/119920
A1 [0004]
- - DE 102005023743 A1 [0007]
- - US 3633989 [0015]