DE102007024235B4 - Holografisches Rekonstruktionssystem sowie -verfahren mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich - Google Patents

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Abstract

Holografisches Rekonstruktionssystem (100, 400) mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich (180, 520) umfassend
Lichtquellenmittel (410) zum Bereitstellen von kohärentem Licht,
Rekonstruktionsmittel (110, 130, 140; 420, 430, 440, 460, 470, 480) zum holografischen Rekonstruieren einer Szene und zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches (160, 330, 490) mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann,
Ablenkmittel (120, 450, 610) zum Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches (160, 330, 490), und
Ablenkantriebsmittel (630) mit einer Drehachse zum kontinuierlichen Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel (120, 450, 610) mit einer Drehfrequenz um die Drehachse und zum Verschieben des Sichtbarkeitsbereiches (160, 330, 490),
wobei die Rekonstruktionsmittel (110, 130, 140, 420, 430, 440, 460, 470, 480) erste optische Mittel (110, 420, 430, 440) mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln (420) im Strahlengang vor den Ablenkmitteln (120, 450, 610) und zweite optische Mittel (460, 470, 480) im Strahlengang nach den Ablenkmitteln (120, 450, 610) umfassen,
dadurch gekennzeichnet, dass...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein holografisches Rekonstruktionssystem mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich sowie ein entsprechendes Verfahren. Das holografische Rekonstruktionssystem umfasst Lichtquellenmittel zum Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht, Rekonstruktionsmittel zum holografischen Rekonstruieren einer Szene und zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, sowie Ablenkmittel zum Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches.
  • Bei einem holografischen Rekonstruktionssystem wird hinreichend kohärentes Licht mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln (SLM), beispielsweise einem LCD, moduliert. Im SLM ist eine diffraktive Struktur, das Hologramm, bzw. eine Folge von Hologrammen, kodiert. Durch Interferenz des mit Hologrammen im SLM modulierten Lichts entstehen Objektlichtpunkte. Diese bilden in ihrer Gesamtheit die dreidimensionale Rekonstruktion eines Objekts bzw. einer Szene. Das Licht aller Objektlichtpunkte breitet sich als Lichtwellenfront aus, so dass ein oder mehrere Betrachter diese Objektlichtpunkte in Form einer dreidimensionalen Szene von einer Augenposition aus wahrnehmen. Für den Betrachter scheint das Licht nicht vom SLM, sondern von der dreidimensionalen Objektrekonstruktion auszugehen, d. h. von verschiedenen Tiefenebenen. Der Betrachter fokussiert seinen Blick auf die Objektrekonstruktion mit ihren verschiedenen Tiefenebenen. Die Augen nehmen nur das am SLM gebeugte und nicht das direkt transmittierte Licht wahr. Idealerweise erhält daher ein Betrachter bei einem holografischen Display den gleichen Eindruck, wie er von einem wirklich vorhandenen Objekt erhalten würde. Das heißt, im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine holografische Rekonstruktion eine Objektsubstitution und die von der Stereoskopie bekannten Probleme wie Ermüdung oder Augen- und Kopfschmerzen entfallen, da prinzipiell kein Unterschied in der Betrachtung von holografisch rekonstruierten Szenen und natürlichen Szenen besteht.
  • Bekannte holografische Rekonstruktionssysteme, wie z. B. in der internationalen Patentanmeldung WO2004/044659 A2 des Anmelders, basieren im Wesentlichen auf folgendem Grundprinzip: Eine räumlich mit holografischer Information modulierte Wellenfront rekonstruiert die dreidimensionale Szene in einem Rekonstruktionsraum, der vor einem oder beiden Augen eines oder mehrerer Betrachter positioniert ist. Dabei sind die Hologramme auch so kodierbar, dass die Objektlichtpunke nicht nur vor, sondern auch auf und hinter dem Wiedergabeschirm erscheinen. Der Rekonstruktionsraum spannt sich von der Austrittsfläche eines Wiedergabeschirms, über den die modulierte Wellenfront aus dem Rekonstruktionssystem austritt, zu einem Sichtbarkeitsbereich auf. Der Sichtbarkeitsbereich hat eine endliche Ausdehnung in einer Ebene, wie z. B. die Größe eines Auges oder einer Augenpupille. Wenn sich mindestens ein Auge eines Betrachters in dem Sichtbarkeitsbereich befindet, kann dieser die holografisch rekonstruierte Szene wahrnehmen.
  • Die Größe des Sichtbarkeitsbereiches ist abhängig von der Brennweite des holografischen Rekonstruktionssystems, der Wellenlänge des verwendeten Lichts und dem so genannten Pixel-Pitch des räumlichen Lichtmodulators zum Kodieren der holografisch zu rekonstruierenden Szene. Je größer der Sichtbarkeitsbereich sein soll, desto höher muss auch die Auflösung des verwendeten SLM sein. Um einen großen Sichtbarkeitsbereich zu erhalten, muss der SLM kleine Pixel-Aperturen aufweisen, die einen großen Beugungswinkel erzeugen, d. h. der Pixel-Pitch muss klein und dementsprechend die Anzahl der Pixel groß sein.
  • Um die nötige Auflösung des SLM zu verringern, kann die Größe des Sichtbarkeitsbereiches z. B. auf die Größe einer Augenpupille reduziert werden. Dies führt jedoch zu Problemen bei der Sichtbarkeit der dreidimensionalen Rekonstruktion, wenn das Betrachterauge nur teilweise im Sichtbarkeitsbereich liegt. Bereits geringes Bewegen des Betrachters kann schon ein Verschwinden der Sichtbarkeit, ein Vignettieren oder ein Verzerren des Raumfrequenzspektrums hervorrufen. Außerdem sind die Grenzen des Rekonstruktionsraums für einen Betrachter, der sich außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs befindet, schwer zu finden.
  • Deshalb ist es nötig, die Lage des Sichtbarkeitsbereichs bei jedem Bewegen des Betrachters an die neue Augenposition anzupassen.
  • Da der Betrachter in einem engen Sichtbarkeitsbereich nur mit einem Auge die holografische Rekonstruktion sehen kann, muss eine zweite auf das andere Auge gerichtete Wellenfront eine zweite, in der Parallaxe verschiedene Rekonstruktion liefern. Da für ein optisch fehlerfreies Wahrnehmen beide Rekonstruktionsräume von derselben Position auf dem Wiedergabeschirm ausgehen müssen, werden ihre Wellenfronten mit bekannten autostereoskopischen Mitteln räumlich oder zeitlich verschachtelt. Dabei verhindern Raumfrequenzfilter und Fokussiermittel ein optisches Übersprechen zwischen den Wellenfronten. Sofern das Rekonstruktionssystem außerdem auch mehreren Betrachtern parallel ein Betrachten der Rekonstruktionen ermöglichen soll, werden dafür weitere Wellenfronten benötigt; in der Regel für jeden Betrachter zwei. Diese können sowohl im zeitlichen als auch im räumlichen Multiplex-Betrieb realisiert werden.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit bezieht sich die weitere Beschreibung vorrangig auf das Ausrichten einer einzigen Wellenfront des holografischen Systems. Das Rekonstruktionssystem kann bei Bedarf weitere Wellenfronten analog zur ersten realisieren. Für den Fachmann versteht sich von selbst, dass dafür die Idee gemäß der Erfindung abhängig von der Anzahl der Wellenfronten beliebig oft verwendet werden kann. Dabei können funktionelle Elemente der Erfindung vorteilhaft für mehrere Wellenfronten gemeinsam genutzt werden.
  • Bekannte Systeme umfassen einen Augenfinder und eine Ablenkeinheit, beispielsweise einen Scannerspiegel. Mittels des Augenfinders wird die Position der Augen bestimmt. Daraus wird die erforderliche Winkelposition der Ablenkeinheit ermittelt und die Ablenkeinheit entsprechend ausgerichtet, um die Position des Sichtbarkeitsbereiches an die Position der Augen anzupassen. An der angesteuerten Position muss die Ablenkeinheit einen Moment ruhen, damit das Hologramm rekonstruiert wird. Anschließend wird die nächste Augenposition festgestellt etc. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Bewegung der Ablenkeinheit, welche insbesondere bei hohen Frequenzen, beispielsweise größer 20 Hz, mit herkömmlichen Mitteln schwer zu realisieren ist.
  • Bei einem kleinen Sichtbarkeitsbereich ist es außerdem erforderlich, dass der Augenfinder die Augenposition sehr exakt bestimmt. Beispielsweise dürfte bei einer Größe des Sichtbarkeitsbereiches von 5 bis 10 mm, der Augenfinder einen maximalen Fehler von etwa einem Millimeter aufweisen. Auch dies ist mit herkömmlichen Mitteln schwer zu realisieren.
  • Aus der US 5 986 780 A ist ein holografisches Rekonstruktionssystem bekannt, mit welchem eine holografische Szene aus mehreren Teilen (z. B. Quadranten) zusammengesetzt rekonstruiert wird. Dabei werden durch Umschalten des Strahlenganges mittels eines Spiegels, der unterschiedliche, fixe Positionen auf einer Drehachse annehmen kann, die einzelnen Teile der holografischen Szene im zeitlichen Multiplexing dargestellt, so dass der Betrachter den Eindruck erhält, alle rekonstruierten Punkte gleichzeitig zu sehen. Jedoch bleibt die Position des Betrachters gleich. Eine Nachführung wird nicht realisiert und ist mit dieser Anordnung auch nicht möglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein holografisches Rekonstruktionssystem bereitzustellen, welches einem oder mehreren Betrachtern ermöglicht, die rekonstruierte Szene aus unterschiedlichen Positionen zu betrachten, und dabei jedoch eine vereinfachte Realisierung unter Verwendung herkömmlicher Mittel erlaubt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes holografisches Rekonstruktionssystem mit Ablenkantriebsmitteln zum kontinuierlichen Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel bei einer Drehfrequenz bzw. einer Schwenkfrequenz um eine Drehachse und dadurch Verschieben des Sichtbarkeitsbereiches sowie durch ein entsprechendes Verfahren. (Im Folgenden werden die Begriffe Rotieren, Rotation und Drehfrequenz jeweils gleichbedeutend mit Schwenken und Schwenkfrequenz verwendet.)
  • Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die Ablenkmittel bzw. den Scannerspiegel kontinuierlich um eine Drehachse zu rotieren oder kontinuierlich über ein Winkelspektrum zu schwenken und so permanent das gesamte Winkelspektrum abzuscannen. Dies führt zu einer kontinuierlichen Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches. Ist die Drehfrequenz des Scannerspiegels ausreichend hoch, beispielsweise größer 50 Hz, überstreicht der Sichtbarkeitsbereich ausreichend oft eine Beobachtungsposition, so dass eine Rekonstruktion der Hologramme gesehen werden kann. Für die Beobachtung des Hologramms ist kein Augenfinder notwendig. Der oder die Beobachter müssen sich lediglich in dem abgescannten Bereich befinden und werden automatisch mit bedient. Auf diese Weise wird ein „erweiterter Sichtbarkeitsbereich" erzeugt.
  • Wie ein Beobachter die Rekonstruktion des Hologramms sieht, ist abhängig von seiner Position im Sichtbarkeitsbereich. Verändert sich die Position des Beobachters im Sichtbarkeitsbereich, verändert sich für den Beobachter die Perspektive unter der er die Rekonstruktion beobachtet. Bei einem beweglichen Sichtbarkeitsbereich würde der Beobachter zwar seine Beobachtungsposition beibehalten, jedoch beobachtet er trotzdem alle Perspektiven, während der Sichtbarkeitsbereich über sein Auge streicht. Dies könnte bei einem größeren Sichtbarkeitsbereich, bspw. größer als die Augenpupille, dazu führen, dass er einen rekonstruierten Hologrammpunkt verschwommen wahrnimmt, da er ihn schnell hintereinander unter verschiedenen Perspektiven beobachtet. Damit eine Verschmierung der rekonstruierten Punkte nicht erfolgt, darf das Auge diese Bewegung nicht sehen. Es ist daher einerseits sinnvoll, den Sichtbarkeitsbereich zu verkleinern, so dass ein Beobachter weniger oder sogar keine Bewegungsfreiheit in dem Sichtbarkeitsbereich hat. Andererseits ist eine Modulierung der Lichtquelle möglich, beispielsweise ein gepulster Laser, wobei die Frequenz des Lasers so an die Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches angepasst ist, dass ein Beobachter im Sichtbarkeitsbereich die Bewegung nicht bemerkt.
  • Bei der Berechnung eines Hologramms für eine Beobachtungsposition wird außerdem die Perspektive, unter der das Hologramm gesehen wird, berücksichtigt. Diese ist für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches unterschiedlich, d. h. für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches müsste ein anderes Hologramm kodiert werden, und unterscheidet sich somit auch für das linke und das rechte Auge, wenn der Sichtbarkeitsbereich nicht groß genug ist, um beide Augen gleichzeitig zu bedienen. Dann ist es notwendig, dass die beiden Augen unterschiedlich berechnete Hologramme beobachten.
  • Es reicht jedoch aus, nicht für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches ein Hologramm zu berechnen, sondern nur für jene Positionen, an denen sich ein Betrachterauge befindet. Um zu erkennen, wo sich ein Betrachterauge befindet, ist ein Augenfinder notwendig. Um auch bei einer geringen Genauigkeit des Augenfinders sicherzustellen, dass der Betrachter die holografische Szene gleichmäßig betrachten kann, kann in Abhängigkeit von der erkannten Augenposition das Hologramm für eine Position des Sichtbarkeitsbereiches berechnet und über mehrere, mindestens die Fläche des Auges überstreichende Positionen des Sichtbarkeitsbereiches beibehalten werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Lichtquellenmittel als Laserlichtquelle ausgebildet. Dabei wird ferner bevorzugt, dass die Lichtquellenmittel zum periodischen Bereitstellen von Lichtimpulsen mit einer Schaltfrequenz vorgesehen sind. Die Lichtquellenmittel können z. B. als gepulster Laser ausgestaltet sein. Zum Steuern der Schaltfrequenz kann das Rekonstruktionssystem ferner Lichtquellensteuermittel umfassen. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das holografische Rekonstruktionssystem außerdem Ablenkantriebssteuermittel zum Steuern der Drehfrequenz der Ablenkantriebsmittel. Vorzugsweise weisen Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein bestimmtes Verhältnis zueinander auf. In einer besonderen Ausgestaltung können Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein solches Verhältnis zueinander aufweisen, dass die Lichtquellenmittel innerhalb einer Verschiebungsdistanz, die der Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs in Verschiebungsrichtung entspricht, höchstens einen Lichtimpuls abgeben. Dabei können Schaltfrequenz und/oder Drehfrequenz gesteuert werden. Durch diese Ausgestaltung kann vermieden werden, dass der Beobachter mehrere Perspektiven wahrnimmt, während sich der Sichtbarkeitsbereich an seinem Auge vorbeibewegt. So kann einer verschwommenen, unscharfen Wahrnehmung der Szene entgegengewirkt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Berechnung der holografisch zu rekonstruierenden Szene durch die Rekonstruktionsmittel in Abhängigkeit von der Position des Sichtbarkeitsbereiches. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung nur, wenn die Lichtquellenmittel Licht bereitstellen. Mit anderen Worten, es ist zwar denkbar, für jede mögliche Position des Sichtbarkeitsbereiches die holografisch zu rekonstruierende Szene zu berechnen, um auf diese Weise die Perspektive, unter welcher die rekonstruierte Szene von dieser Position des Sichtbarkeitsbereiches gesehen werden würde, zu berücksichtigen. Es ist jedoch sinnvoll, dass nur dann ein Hologramm berechnet und kodiert wird, wenn die Lichtquellenmittel Licht bereitstellen.
  • Ferner ist bevorzugt, dass die Rekonstruktionsmittel zum Berechnen einer holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine ausgewählte Position des Sichtbarkeitsbereiches und zum Bereitstellen der berechneten holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine auf die ausgewählte Position folgende Position des Sichtbarkeitsbereiches vorgesehen sind. Mit anderen Worten, es wird nicht für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches ein Hologramm berechnet, sondern nur für ausgewählte Positionen, z. B. anhand der Augenposition ausgewählte Positionen. Für nachfolgende Positionen des Sichtbarkeitsbereiches – mindestens eine nachfolgende Position – wird das Hologramm nicht neu berechnet, sondern das für die ausgewählte Position berechnete Hologramm weiterverwendet. Dies wird auch in der Figurenbeschreibung zu 3 deutlich.
  • In einer Ausgestaltung umfassen die Rekonstruktionsmittel erste optische Mittel, insbesondere räumliche Lichtmodulationsmittel, im Strahlengang vor den Ablenkmitteln und zweite optische Mittel im Strahlengang nach den Ablenkmitteln. Die ersten optischen Mittel können ferner mindestens ein telezentrisches Objektiv und die zweiten optischen Mittel mindestens ein Projektionsobjektiv umfassen. Alternativ zum Projektionsobjektiv kann es sich auch um einen Projektionsspiegel handeln.
  • Die Ablenkmittel sind bevorzugt als Spiegel, insbesondere als Oberflächenspiegel, ausgestaltet. Ferner können die Ablenkmittel als Planspiegel ausgestaltet sein oder eine sphärische oder asphärische Wirkung aufweisen. Durch die sphärische oder asphärische Wirkung können zusätzliche optische Effekte erzielt werden. So wird z. B. ermöglicht, weitere Komponenten des holografischen Rekonstruktionssystems in das Ablenkmittel zu integrieren.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Ablenkmittel und die Ablenkantriebsmittel so miteinander verbunden, dass die Drehachse der Ablenkantriebsmittel in der Ebene der Reflexionsfläche der Ablenkmittel liegt. Dadurch wird erreicht, dass sich aufgrund der Rotation des Ablenkmittels die holografisch rekonstruierte Szene in Bezug auf den Wiedergabeschirm nicht bewegt. Ist die Spiegeloberfläche nicht auf der Drehachse, verändert der Spiegel durch seine Drehung die optische Position des in Richtung der Ablenkmittel projizierten optischen Bildes zum Projektionsobjektiv. Diese Ausgestaltung wird auch in 6 der Figurenbeschreibung deutlich.
  • In einer Ausgestaltung sind die Ablenkantriebsmittel als Gleichstrommotor ausgestaltet. Grundsätzlich kann auch jede andere Art von Antrieb verwendet werden, die ein Rotieren bzw. Schwenken der Ablenkmittel ermöglicht sowie eine ausreichend hohe und gleichmäßige Drehfrequenz realisieren kann.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das holografische Rekonstruktionssystem Augenpositionserkennungsmittel zum Erkennen der Position mindestens eines Betrachterauges. Die Lichtquellenmittel können dann in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges Licht bereitstellen. Beispielsweise könnten, in der Verschiebungsrichtung des Sichtbarkeitsbereiches betrachtet, lediglich in einem Bereich vor, während und nach einer Augenposition Lichtimpulse bereitgestellt werden. Außerdem können die Rekonstruktionsmittel dann vorzugsweise die holografisch zu rekonstruierende Szene in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges berechnen. Beispielsweise ist es möglich, ein Hologramm nur für die festgestellte Augenposition zu berechnen. Oder es wird, in einem weiteren Beispiel, ein Hologramm für eine Position des Sichtbarkeitsbereiches, welche in der Verschiebungsrichtung des Sichtbarkeitsbereiches vor der Augenposition liegt, berechnet und für die nachfolgende(n) Position(en) des Sichtbarkeitsbereiches bereitgestellt. Auf diese Weise kann die erforderliche Rechenleistung zur Bereitstellung des Hologramms verringert und Lichtenergie gespart werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein holografisches Rekonstruktionsverfahren zum holografischen Rekonstruieren einer Szene in einem holografischen Rekonstruktionssystem mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich. Das Verfahren umfasst Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht, holografisches Rekonstruieren einer Szene und Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches mit Ablenkmitteln, sowie kontinuierliches Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel bei einer Drehfrequenz um eine Drehachse und zum Verschieben des Sichtbarkeitsbereichs.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht mit dem Sichtbarkeitsbereich zu einem ersten Zeitpunkt.
  • 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht mit dem Sichtbarkeitsbereich zum ersten und zu einem zweiten Zeitpunkt.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der Erzeugung des Sichtbarkeitsbereiches durch Lichtimpulse.
  • 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel zu einem ersten Zeitpunkt.
  • 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel zu einem zweiten Zeitpunkt.
  • 6 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Anordnung von Ablenkmitteln und Ablenkantriebsmitteln zueinander in Draufsicht.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Dargestellt ist die Position des Sichtbarkeitsbereiches zu einem ersten Zeitpunkt.
  • Das dargestellte holografische Rekonstruktionssystem 100 umfasst erste optische Mittel 110, Ablenkmittel 120, Projektionsmittel 130 sowie einen Wiedergabeschirm 140. In der Zeichnung sind ferner dargestellt ein sich zwischen Wiedergabeschirm 140 und einem Sichtbarkeitsbereich 160 aufspannender Rekonstruktionsraum 150, eine erste Augenposition 170 und eine zweite Augenposition 172 sowie ein erweiterter Sichtbarkeitsbereich 180.
  • Die ersten optischen Mittel 110 umfassen hier einen Hologrammprojektor, welcher ein Zwischenbild eines Hologramms, welches auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten räumlichen Lichtmodulator (SLM) kodiert ist, auf die Ablenkmittel projiziert. Die ersten optischen Mittel 110 sind im Strahlengang vor den Ablenkmitteln 120 angeordnet.
  • Die Ablenkmittel 120, beispielsweise ein Planspiegel, ändern die Ausrichtung des vom Hologrammprojektor 110 auf sie projizierten Abbildes des SLM in Richtung des Projektionsmittels 130. Möglich ist auch, dass die Ablenkmittel 120 als sphärischer oder asphärischer Spiegel ausgestaltet sind und eine zusätzliche optische Wirkung übernehmen. Auf diese Weise können mehrere optische Elemente in einem kombiniert werden. Die Ablenkmittel 120 sind drehbar gelagert, wobei die Drehachse in der Ebene der Spiegeloberfläche liegt. Dies wird in 6 deutlich.
  • Die Projektionsmittel 130 sind in dieser Darstellung als sphärischer, insbesondere elliptischer Spiegel, ausgestaltet. Die Verwendung eines Projektionsspiegels ist gegenüber einem Projektionsobjektiv vorteilhaft, da bei Verwendung eines Projektionsspiegels eine größere Ausdehnung des erweiterten Sichtbarkeitsbereichs 180 realisiert werden kann. Die Projektionsmittel 130 reflektieren das auf sie fallende Licht in Richtung des Wiedergabeschirmes 140.
  • Der Wiedergabeschirm 140 ist ebenfalls als sphärischer Spiegel ausgestaltet und reflektiert das einfallende Licht in Abhängigkeit von seiner Form und dem Einfallswinkel in eine bestimmte Richtung. Dadurch entsteht der Sichtbarkeitsbereich 160, von welchem der Betrachter, wenn sich mindestens ein Auge darin befindet, die holografische Szene in dem Rekonstruktionsraum 150 beobachten kann. D. h. ein Auge, welches sich an der Augenposition 170 befindet, kann die holografische Szene im Rekonstruktionsraum 150 betrachten.
  • Bei der ersten Augenposition 170 und der zweiten Augenposition 172 kann es sich um das gleiche Auge handeln, welches sich von der ersten zur zweiten Position bewegt hat, oder aber um unterschiedliche Augen, z. B. das rechte und das linke Auge eines Betrachters oder das linke Auge eines ersten Betrachters und das rechte Auge eines zweiten Betrachters. Ein Auge, welches sich zum ersten, in dieser Zeichnung dargstellten Zeitpunkt an der zweiten Augenposition 172 befindet, würde zu diesem Zeitpunkt keine Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene sehen. Jedoch ist die Drehfrequenz des Ablenkmittels 120 vorzugsweise so hoch, dass ein Beobachter die Zeitdifferenz zwischen zwei Umdrehungen und dem damit verbundenen Erscheinen des Sichtbarkeitsbereiches 160 vor seinem Auge nicht wahrnimmt.
  • 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Dargestellt ist die Position des Sichtbarkeitsbereiches zum ersten Zeitpunkt, wie in 1, und außerdem zu einem zweiten Zeitpunkt. Die Anordnung entspricht der in 1 dargestellten. Außerdem sind in 2 eine zweite Position des Sichtbarkeitsbereiches 162 sowie eine zweite Position des Rekonstruktionsraumes 152 dargestellt.
  • Durch kontinuierliche Rotation des Ablenkmittels 120 verschiebt sich der Sichtbarkeitsbereich 160 kontinuierlich innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 180. Zu dem zweiten Zeitpunkt befindet sich der Sichtbarkeitsbereich an der zweiten Position des Sichtbarkeitsbereiches 162. Ein Auge, welches sich zum zweiten Zeitpunkt an der zweiten Augenposition 172 befindet, kann zu diesem Zeitpunkt die holografisch rekonstruierte Szene im Rekonstruktionsraum 152 betrachten.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung der Erzeugung des Sichtbarkeitsbereiches durch Lichtimpulse. In der Zeichnung sind dargestellt eine Augenposition 310, Lichtimpulse 320, 322, 324 sowie Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 zu Zeitpunkten t1 bis t8.
  • Zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 überstreicht der Sichtbarkeitsbereich 332 die Position eines Beobachterauges 310. D. h. in diesem Zeitraum kann der Beobachter eine Rekonstruktion beobachten. Schaltet man nun den Beleuchtungslaser nur eine begrenzte Zeit ein, welche kleiner oder gleich t5–t3 ist, so kann der Beobachter nur noch einen kleineren Perspektivenausschnitt der Rekonstruktion beobachten, egal wo er sich in dem Sichtbarkeitsbereich befindet.
  • Die Lichtquellenmittel stellen periodisch im Zeitablauf Lichtimpulse 320, 322, 324 bereit. Die Lichtimpulse 320, 322, 324 weisen eine Schaltfrequenz auf. Die Schaltfrequenz der Lichtimpulse 320, 322, 324 und die Drehfrequenz des Ablenkantriebsmittels sind so aufeinander abgestimmt, dass die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 nicht überlagern. Dies ist auch aus der Figur ersichtlich. Nur zu Zeitpunkten t2, t4, und t6 werden Lichtimpulse bereitgestellt. Aufgrund der Drehfrequenz des Ablenkantriebsmittels und der daraus resultierenden Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches, überlagern sich die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 zu diesen Zeitpunkten nicht. Die zweite Position des Sichtbarkeitsbereiches 332 ist zur ersten Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 um die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereiches verschoben. Ebenso ist die dritte Position des Sichtbarkeitsbereiches 334 zur zweiten Position des Sichtbarkeitsbereiches 332 um die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereiches verschoben.
  • Würde zu jedem Zeitpunkt t1 bis t6 ein Lichtimpuls bereitgestellt, würden sich die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches überlagern und der Beobachter könnte eventuell ein unscharfes Bild wahrnehmen.
  • Darüber hinaus ist es möglich, dass ein Augenpositionserkennungsmittel die Position eines Auges 310 feststellt. Die Lichtquellenmittel können dann in Abhängigkeit von der Augenposition 310 Lichtimpulse 320, 322, 324 bereitstellen. Dabei kann eine etwaige Ungenauigkeit bei der Feststellung der Augenposition 310 berücksichtigt werden. Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die erste Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 vor der festgestellten Augenposition durch den ersten Lichtimpuls 320 erzeugt. Anschließend folgen in dieser Darstellung zwei weitere Lichtimpulse 322, 324, welche auf die erste Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 folgende Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 332, 334 erzeugen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei einer Ungenauigkeit des Augenpositionserkennungsmittels, das Auge an der Augenposition 310 mit einem Sichtbarkeitsbereich versorgt wird.
  • Um zu verhindern, dass der Betrachter unterschiedliche Perspektiven wahrnimmt und das Objekt verschwommen sieht, kann für diese aufeinander folgenden Lichtimpulse die gleiche Objektrekonstruktion an den aufeinander folgenden Positionen des Sichtbarkeitsbereiches bereitgestellt werden.
  • Selbstverständlich ist die Anzahl der Lichtimpulse bzw. Positionen des Sichtbarkeitsbereiches nicht wie in dieser Zeichnung beschränkt.
  • 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel zu einem ersten Zeitpunkt. In der Zeichnung sind jeweils dargestellt Lichtquellenmittel 410, 412, räumliche Lichtmodulationsmittel (SLM) 420, 422, ein Beamsplitter 430, 432, ein telezentrisches Objektiv 440, 442, Ablenkmittel 450, 452, ein Projektionsobjektiv 460, 462, Reflexionsmittel 470, 472. Der Wiedergabeschirm 480 ist in der Gesamtanordnung nur einmal vorhanden. Ferner ist jeweils ein Sichtbarkeitsbereich 490, 492, eine Augenposition 500, 502, ein Rekonstruktionsraum 510, 512 sowie ein erweiterter Sichtbarkeitsbereich 520, 522 dargestellt.
  • Wie aus der Zeichnung ersichtlich, umfasst die Gesamtanordnung zwei analog aufgebaute Baugruppen. Je eine Baugruppe erzeugt das Bild für ein Auge. Beschrieben wird im Folgenden eine der beiden Baugruppen. Der Fachmann kann das Prinzip leicht auf die andere Baugruppe übertragen. Grundsätzlich sind auch Lösungen mit einer Baugruppe für beide Augen denkbar, z. B. mit zeitlichem Multiplexing.
  • Die Lichtquellenmittel 410 sind in diesem Ausführungsbeispiel als gepulster Laser ausgestaltet. Der gepulste Laser kann wahlweise über eine elektrische Ansteuerung oder mechanisch zeitlich moduliert werden. Die Lichtquellenmittel 410 können einen Beamexpander umfassen, welcher den Strahldurchmesser des Lasers aufweitet. In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch möglich, mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen bereitzustellen. In noch einer weiteren Ausgestaltung ist es ferner möglich, statt eines Lasers eine andere Lichtquelle zu verwenden und den kohärenten Anteil des Lichts zu filtern.
  • Die Lichtquellenmittel 410 beleuchten das telezentrische Objektiv 440 über den Beamsplitter 430, welcher die Eigenschaft besitzt, in einer bestimmten Richtung linear polarisiertes Licht zu reflektieren. Auf diese Weise wird der SLM 420 mit möglichst hoher Lichtenergie beleuchtet. Auf dem SLM 420, welcher ein Pixel-Raster aufweist, wird durch Amplitudenmodulation ein Beugungsmuster dargestellt. Durch Reflexion am SLM 420 breitet sich das Laserlicht gebeugt in Richtung des telezentrischen Objektivs 440 aus.
  • In einer Brenn- bzw. Fourier-Ebene einer Eingangslinse des telezentrischen Objektivs 440 befindet sich eine Blende, welche eine räumliche Filterung des Laserlichts bewirkt. Hier werden unerwünschte Ordnungen der Beugung ausgeblendet. Die Lichtenergie der unerwünschten Ordnung kann dabei wesentlich höher als der Anteil der erwünschten Ordnung sein. Das telezentrische Objektiv 440 bildet eine verkleinerte Abbildung, z. B. im Maßstab 1:2, des SLM 420 auf die Ablenkmittel 450 ab. Es existiert ein verkleinertes, reelles Zwischenbild des SLM 420.
  • Beamsplitter 430, SLM 420 und telezentrisches Objektiv 440 gehören in diesem Ausführungsbeispiel ersten optischen Mittel an, welche im Strahlengang vor den Ablenkmitteln 450 angeordnet sind.
  • Die Ablenkmittel 450 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Planspiegel ausgestaltet, welcher drehbar auf in dieser Zeichnung nicht dargestellten Ablenkantriebsmitteln, z. B. einem Gleichstrommotor, gelagert ist. Dabei liegt die Drehachse der Ablenkantriebsmittel in der Ebene der Spiegeloberfläche. Dies wird in 6 deutlich. Das vom telezentrischen Objektiv 440 ausgesandte Licht wird durch die Ablenkmittel in Richtung des Projektionsobjektivs 460 abgelenkt.
  • Projektionsobjektiv 460, Reflexionsmittel 470 und Wiedergabeschirm 480 gehören in diesem Ausführungsbeispiel zweiten optischen Mitteln an, welche im Strahlengang nach den Ablenkmitteln 450 angeordnet sind.
  • Das Projektionsobjektiv 460 projiziert die von den Ablenkmitteln 450 abgelenkte verkleinerte Abbildung des SLM 420 auf das Reflexionsmittel 470. Das Reflexionsmittel 470 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Planspiegel ausgestaltet und lenkt das auf ihn fallende Licht in Richtung des Wiedergabeschirms 480 ab. Der Wiedergabeschirm 480 ist in diesem Ausführungsbeispiel als sphärischer Spiegel ausgestaltet. Der Wiedergabeschirm 480 ist dabei so angeordnet, dass er eine 1:1 Abbildung der Fourier-Ebene des SLM 420 in den Sichtbarkeitsbereich 490 bewirkt. Dabei wird der Rekonstruktionsraum 510 zwischen dem Wiedergabeschirm 480 und dem Sichtbarkeitsbereich 490 aufgespannt. Ein Auge eines Betrachters, welches sich an der Augenposition 500 befindet, sieht die rekonstruierte Szene im Rekonstruktionsraum 510 vom Sichtbarkeitsbereich 490 aus.
  • Durch Rotation der Ablenkmittel 450 wird der Strahlengang so verändert, dass sich die Position des Sichtbarkeitsbereiches 490 kontinuierlich innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 verschiebt. Die Ausdehnung des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 ist bedingt durch den Aufbau des holografischen Rekonstruktionssystems 400 räumlich begrenzt. Wenn das Ablenkmittel 450 eine Umdrehung vollendet hat, erscheint der Sichtbarkeitsbereich 490 wieder am Anfang des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520. Die Verschiebungsrichtung des Sichtbarkeitsbereiches 490 ist abhängig von der Umdrehungsrichtung des Ablenkmittels 450. Die Umdrehungsrichtung hat für das grundsätzliche Prinzip der Erfindung jedoch keine Bedeutung.
  • Grundsätzlich kann für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches 490 innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 der SLM 420 mit unterschiedlichen Hologrammen kodiert sein. Bei einem kleinen erweiterten Sichtbarkeitsbereich 520 ist es jedoch auch möglich, lediglich eine Kodierung des SLM für alle Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 490 innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 bereitzustellen. Demgegenüber ist auch eine Zwischenlösung möglich, bei welcher der SLM 420 für Teilabschnitte des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520, die mindestens zwei Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 490 umfassen, jeweils mit einem Hologramm kodiert ist.
  • 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel zu einem zweiten Zeitpunkt. Der Aufbau entspricht dem in 4.
  • In dieser Darstellung weisen die Ablenkmittel 450 eine veränderte Winkelposition gegenüber der Darstellung in 4 auf. Durch den somit veränderten Strahlengang weist auch der Sichtbarkeitsbereich 490 eine andere Position innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 auf.
  • Zu diesem zweiten Zeitpunkt sieht der Beobachter an der Augenposition 490 keine Rekonstruktion der holografischen Szene. Die Drehfrequenz des Ablenkmittels 450 ist jedoch so hoch, dass der Beobachter dies nicht wahrnimmt. Der Sichtbarkeitsbereich 490 erscheint so oft vor seinem Auge, dass er die holografische Szene als bleibend wahrnimmt.
  • 6 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Anordnung von Ablenkmitteln und Ablenkantriebsmitteln zueinander in Draufsicht. Dargestellt sind Ablenkmittel 610 mit einer Reflexionsfläche 620 sowie Ablenkantriebsmittel 630 mit einer Welle 640.
  • Die Welle 640 ist an den Ablenkantriebsmitteln 630, z. B. einem Gleichstrommotor, angebracht. Die Ablenkantriebsmittel 630 rotieren die Welle 640 um eine Drehachse. Die Drehachse liegt im Rotationszentrum der Welle 640. Die Rotationsbewegung ist beispielhaft durch einen Pfeil in der Zeichnung angedeutet – sie kann auch entgegengesetzt gerichtet sein. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist das Ablenkmittel 610 so an der Welle 640 angebracht, dass die Reflexionsfläche 620 auf der im Zentrum der Welle 640 liegenden Drehachse angeordnet ist. Bei einer Rotation der Welle 640 wird sich auf diese Weise die Reflexionsfläche 620 nicht aus dem Zentrum der Welle 640 bewegen und es entstehen keine unerwünschten optischen Effekte, wie z. B. unerwünschte Änderungen des Strahlenganges.
  • Die Ablenkantriebsmittel 630 weisen eine Drehzahl auf, die so hoch ist, dass ein Beobachter, die Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches nicht als Flackern wahrnimmt. Außerdem weisen die Ablenkantriebsmittel eine stabile Drehzahl auf, d. h. die Drehzahl unterliegt keinen unerwünschten Schwankungen.
  • Anhand der Zeichnungen wurde ein holografisches Rekonstruktionssystem und -verfahren mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich beschrieben. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt.
  • Bei anderer Anordnung der Elemente des holografischen Rekonstruktionssystems können Elemente weggelassen werden, ineinander integriert oder miteinander kombiniert werden. Auch Merkmale der einzelnen Ausführungen und Darstellungen können miteinander kombiniert werden.
  • Es ist auch denkbar, dass ein Sichtbarkeitsbereich erzeugt wird, in welchem ein Betrachter mit beiden Augen eine holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann. Das Prinzip dieser Erfindung ist auch dann anwendbar.

Claims (20)

  1. Holografisches Rekonstruktionssystem (100, 400) mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich (180, 520) umfassend Lichtquellenmittel (410) zum Bereitstellen von kohärentem Licht, Rekonstruktionsmittel (110, 130, 140; 420, 430, 440, 460, 470, 480) zum holografischen Rekonstruieren einer Szene und zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches (160, 330, 490) mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, Ablenkmittel (120, 450, 610) zum Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches (160, 330, 490), und Ablenkantriebsmittel (630) mit einer Drehachse zum kontinuierlichen Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel (120, 450, 610) mit einer Drehfrequenz um die Drehachse und zum Verschieben des Sichtbarkeitsbereiches (160, 330, 490), wobei die Rekonstruktionsmittel (110, 130, 140, 420, 430, 440, 460, 470, 480) erste optische Mittel (110, 420, 430, 440) mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln (420) im Strahlengang vor den Ablenkmitteln (120, 450, 610) und zweite optische Mittel (460, 470, 480) im Strahlengang nach den Ablenkmitteln (120, 450, 610) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten optischen Mittel (110, 420, 430, 440) ein Zwischenbild der räumlichen Lichtmodulationsmittel (420) auf die Ablenkmittel (120, 450, 610) projizieren.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquellenmittel (410) als Laserlichtquelle ausgebildet sind.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquellenmittel (410) zum periodischen Bereitstellen von Lichtimpulsen (320, 322, 324) mit einer Schaltfrequenz vorgesehen sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend Lichtquellensteuermittel zum Steuern der Schaltfrequenz.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein bestimmtes Verhältnis zueinander aufweisen.
  6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein solches Verhältnis zueinander aufweisen, dass die Lichtquellenmittel (410) innerhalb einer Verschiebungsdistanz, die der Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs (330) in Verschiebungsrichtung entspricht, höchstens einen Lichtimpuls (320) abgeben.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Berechnung der holografisch zu rekonstruierenden Szene in Abhängigkeit von der Position des Sichtbarkeitsbereiches (330) durch die Rekonstruktionsmittel (110, 130, 410, 420, 430, 440, 460, 470, 480) erfolgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Berechnung erfolgt, wenn die Lichtquellenmittel (410) Licht bereitstellen.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rekonstruktionsmittel (110, 130, 410, 420, 430, 440, 460, 470, 480) zum Berechnen einer holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine ausgewählte Position des Sichtbarkeitsbereiches (330) und zum Bereitstellen der berechneten holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine auf die ausgewählte Position folgende Position des Sichtbarkeitsbereiches (332) vorgesehen sind.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten optischen Mittel mindestens ein telezentrisches Objektiv (440) und die zweiten optischen Mittel mindestens ein Projektionsobjektiv (460) oder einen Projektionsspiegel umfassen.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel (120, 450, 610) als Spiegel ausgestaltet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel (120, 450, 610) als Oberflächenspiegel ausgestaltet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel (120, 450, 610) als Planspiegel ausgestaltet sind oder eine sphärische oder asphärische Wirkung aufweisen.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel (610) eine Reflexionsfläche (620) aufweisen und wobei die Ablenkmittel (610) und die Ablenkantriebsmittel (630) so verbunden sind, dass die Drehachse der Ablenkantriebsmittel (630) in der Ebene der Reflexionsfläche (620) liegt.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkantriebsmittel (630) als Gleichstrommotor ausgestaltet sind.
  16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Ablenkantriebssteuermittel zum Steuern der Drehfrequenz der Ablenkantriebsmittel
  17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend Augenpositionserkennungsmittel zum Erkennen der Position mindestens eines Betrachterauges (170, 310, 500).
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Lichtquellenmittel (410) in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges Licht bereitstellen.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Rekonstruktionsmittel die holografisch zu rekonstruierende Szene in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges berechnen.
  20. Holografisches Rekonstruktionsverfahren zum holografischen Rekonstruieren einer Szene in einem holografischen Rekonstruktionssystem mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich umfassend Bereitstellen von kohärentem Licht, holografisches Rekonstruieren einer Szene und Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches mit Ablenkmitteln, und kontinuierliches Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel bei einer Drehfrequenz um eine Drehachse und zum Verschieben des Sichtbarkeitsbereichs, gekennzeichnet durch Projektion eines Zwischenbildes räumlicher Lichtmodulationsmittel auf die Ablenkmittel.
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