DE102011056552A1

DE102011056552A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines holographischen Bildschirmes für elektronische Aufprojektion

Info

Publication number: DE102011056552A1
Application number: DE201110056552
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Halldorsson; Andreas Prücklmeier; Ulrich Babst; Dr. Hochenbleicher Gerhard; Christian Klepzig
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013087447A1; EP2791736A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (48) zur Herstellung von Bildschirmhologrammen für Aufprojektion mit einer Bedeckung des Bildschirms (14, 96) durch einzelne holographische Bildpixel (72), wobei die Bildschirmpixel (72) durch Überlagerung von wenigstens eines ersten Beleuchtungsstrahles (20) und eines zweiten Beleuchtungsstrahles (22) und unterschiedliche Winkelausrichtungen wenigstens eines der Beleuchtungsstrahlen (22) mit unterschiedlichen Austrahlrichtungen vorgesehen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von holographischen Bildschirmen (z.B. Leinwänden, Displays) für elektronische Aufprojektion sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bildschirmhologramms.
Hintergrund der Erfindung
Elektronische Bildprojektoren („Beamer“) für Aufprojektion (Frontprojektion) von lebendigen Farbbildern sind heute wegen der großen Bildweite, die mit ihnen auf freie Fläche in Räumen für eine größere Anzahl von Zuschauern projiziert werden kann, eine wichtige Ergänzung zu Flachbildschirmen. Sie sind deshalb heute zu einem unentbehrlichen Darstellungsmittel von Informationen bei Versammlungen in der Wirtschaft und im Unterricht geworden. Zunehmend werden elektronische Projektoren auch zur Filmwiedergabe in Kino, für Fernsehen und zum Abspielen von DVDs für Heimkino eingesetzt. Andere Anwendungsgebiete dieser Technik sind Projektionen von großflächigen Bildern in Verkehrs- und Führungssimulatoren für ein Fahrer- oder Pilotentraining insbesondere für Kraftfahrzeuge, Schiffe und Luftfahrtgeräte, wie Flugzeug oder Hubschrauber. Neuerdings werden tragbare Bildprojektoren – eingebaut in digitale Kameras und Handys – zur mobilen Wiedergabe von Bildern und Videos über kurze Distanzen auf dem Markt angeboten.
Gemeinsames Merkmal der meisten Bildprojektoren, die mit sehr unterschiedlicher Technik ausgestattet sind, ist die Projektion von drei bis vier überlagerten Bildern in den Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) und gelegentlich einer Zusatzfarbe oder Weiß. Die zu überlagernden Bilder werden in getrennten Farbkanälen des Projektors mit Flüssigkristallmodulatoren (LCDs), digital angesteuerten Spiegelmodulatoren (digital mirror devices, DMDs in digital light projectors, DLPs) hergestellt und zeitlich parallel wie in einem Dia-Projektor mit starken Lichtquellen auf eine Leinwand projiziert.
Bilder der Mischfarben entstehen durch Überlagerung der Bilder der Grundfarben. Als Lichtquelle werden wahlweise Entladungslampen (wie Xenon- und Quecksilberlampen), Leuchtdioden (light emitting diodes, LEDs) oder Laser (Festkörper- und Halbleiterlaser) verwendet. Mit Lampen als Lichtquelle werden die benötigten Grundfarben durch statische Farbfilter oder rotierende Farbräder mit eingeschränkter Bandbreite aus ihrem Emissionsspektrum für die Projektion herausgefiltert. Die schmalen Emissionslinien einzelner Leuchtdioden unterschiedlicher Halbleitersysteme können direkt als Grundfarben verwendet werden. Das gleiche gilt für einige Emissionslinien von Lasern im sichtbaren Bereich des Spektrums, die vielfach als Quellen der Grundfarben für Bildprojektion eingesetzt werden.
Mit Lasern kann alternativ zu einer parallelen Projektion ein serieller Bildaufbau, der die gute Bündelung von Laserstrahlen nutzt, durchgeführt werden. Jeder RGB-Strahl wird getrennt mit der Bildinformation moduliert. Es werden alle Strahlen auf eine gemeinsame Achse gebracht und mit einem doppelachsigen Scanner über die Leinwand geleitet. Schnittpunkte der Strahlen mit der Leinwand zeichnen dann während des Scans ähnlich wie die Elektronenstrahlen einer Fernsehröhre das Bild seriell auf.
Ein gravierender Nachteil der Aufprojektion auf einen Schirm (Leinwand), im Vergleich zu LCD- und Plasma-Monitoren, die das Eigenleuchten oder das direkte Hinterbeleuchten des Schirms verwenden, ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Fremdlicht, d.h. insbesondere Raumbeleuchtung bzw. Tageslicht der Umgebung. Dies liegt daran, dass das Fremdlicht aus allen Richtungen im gleichen Maße wie das Projektorlicht von den herkömmlichen Projektionswänden zum Zuschauer rückgestreut wird. Durch die Überlagerung der beiden Lichtanteile werden Kontrast und Farbsättigung der projizierten Bilder herabgesetzt. In den Flachbildschirmen wird dagegen hereinfallendes Fremdlicht von außen in einer geschwärzten Maske des Bildschirms absorbiert und gelangt damit nicht zurück zum Betrachter.
Werden in hellen Räumen freie Wände oder Kino-Leinwände als Bildschirm für elektronische Projektion verwendet, dann kann die Bildstörung durch das Umgebungslicht mit einer Erhöhung des Lichtflusses des Projektors bis zu einem gewissen Grad überwunden werden. Dazu wird eine sehr lichtstarke Quelle gebraucht mit dem Nachteil ihres höheren Stromverbrauchs und gekürzter Lebensdauer. Bei der Benutzung von Lasern als Lichtquelle wird auch die Gefahr der Augenschädigung durch intensiveres gestreutes Laserlicht gesteigert. Die Übertragungsqualität der Bilder ist auf diesem Wege immer gestört. Eine optimale Lösung bietet nur ein Bildschirm der dem Betrachter unabhängig von der Stärke des Fremdlichts die gleiche Qualität der Projektion überbringt. Um dies zu erreichen, sollte das Erscheinen des Fremdlichtes auf ihm vollständig vermieden werden. Gleichzeitig soll das Licht des Projektors auf dem Weg über die Projektionsfläche bis zum Zuschauerraum nicht abgeschwächt werden.
Stand der Schirmtechnologien
Einige Hersteller von elektronischen Projektoren haben spezielle Schirme entwickelt, mit denen im Vergleich zu einer weißen Projektionsleinwand eine Verbesserung des Kontrastes und der Farbsättigung bei Aufprojektion in heller Umgebung erzielt wird.
In dem von der Firma „Sony“ angebotenen „HCS-80 ChromaVue-Contrast Home Theater Screen“ sind z.B. mehrfache dielektrische Reflexionsfilterschichten im Schirm integriert mit einer Filterbandbreite, die an die spektrale Breite der roten, grünen und blauen Grundfarben des Projektors angepasst ist. Diese Farbfilter liegen im Schirm vor einer absorbierenden Fläche und streuen deshalb vorwiegend einfallendes Licht mit den Wellenlängen des Projektors zurück zum Betrachter. Da der Reflexionsgrad der Farbfilter mit dem Einfallswinkel abfällt, ist diese Maßnahme aber nutzlos, um seitliches Fremdlicht zu unterdrücken. Der technische Aufwand in der Fertigung dieser Schirme ist erheblich, und die erreichte Verbesserung der Bildqualität wird mit einem beträchtlichen Gewicht und hohen Preis des Schirmes erkauft.
In einem zweiten Aufprojektionsschirm „Supernova“ der Firma „dnp denmark as“, wird mit Hilfe einer durchsichtigen Folie mit einem eingeprägten Array von lichtabsorbierenden Jalousettenfolien der zugelassene Einfallswinkel und Abstrahlwinkel des Schirms eingeengt, um seitliches Fremdlicht außerhalb dieses Winkels zu unterdrücken. Hier wird aber keine zusätzliche Unterscheidung der Farben des weitergeleiteten Lichtes wie beim ersten Schirm, vorgenommen. Somit wird auch nur eine leichte Verbesserung der Schirmqualität erreicht. Von großem Nachteil bei diesem zweiten Schirm ist, dass der Projektionswinkelbereich und der Betrachtungswinkelbereich sehr nahe bei einander liegen müssen, was seine Einsatzmöglichkeiten stark einschränkt.
Es versteht sich, dass Bildschirme dieser Art basierend auf einer Vielzahl von zusätzlichen Mikro-Optiken von Filtern und Absorptionsfolien in der Herstellung sehr aufwändig und kostenintensiv und für die billige Massenproduktion deshalb nicht besonders gut geeignet sind. Eine wünschenswerte Lösung wäre ein Bildschirm der, zusätzlich zu der Funktion der gezielten Verteilung des Projektorlichtes in den Zuschauerraum, die beiden genannten Filterfunktionen der Farbe und des Einfallswinkels in der Unterscheidung von Nutz- und Fremdlicht vereinigt.
Bei der Erfindung soll dies mit Hilfe von holographischen Bildschirmen, die auch eine kostengünstige Massenherstellung bieten, erreicht werden.
Es ist bekannt dass holographische Aufnahmen von reellen Leinwänden, besonders mit Hilfe von Phasenhologrammen (Volumenhologramme), prinzipiell als Bildschirme für Aufprojektion verwendet werden können. Sie haben insbesondere gegenüber den vorher beschriebenen Bildschirmen den Vorteil, dass sie nach der Herstellung eines geeigneten Masterhologramms kostengünstig mit den holographischen Replikationsverfahren hergestellt werden können. Sie können dann als dünne Folie auf größere Bilddarstellungsfläche aufgetragen werden. Holographische Bildschirme für Aufprojektion werden z.B. als Reflexionsphasenhologramme hergestellt, die den besonderen Vorteil z.B. gegenüber Amplitudenhologrammen und Transmissionsphasenhologrammen haben, dass sie einen sehr hohen Beugungswirkungsgrad besitzen und eine effiziente Unterdrückung der 0-ten Ordnung und des konjugierten Strahles einer holographischen Aufnahme aufweisen.
Solche Bildschirme werden z.B. in der DE 197 00 162 B4 „Verfahren zur Herstellung eines holographischen Bildschirms für die Laseraufprojektion“ beschrieben. Hier wird als erstes die Eigenschaft jedes Hologramms genutzt, dass es nur durch Beleuchtung aus einer ganz bestimmten Richtung – die bei seiner Aufnahme als die Richtung des Referenzstrahles festgelegt wurde – rekonstruiert werden kann. Diese ausgezeichnete Richtung, wird dann in der Anwendung eines Hologramms als Bildschirm als bevorzugte Einfallsrichtung einer Aufprojektion des Projektors gewählt. Alles Licht aus anderen Richtungen, wird durch das Hologramm geleitet, wo es dann gesondert absorbiert werden kann. Zusätzlich wirkt ein Phasenhologramm wie ein enges spektrales Filter. Dies bedeutet, dass sein Bild nur mit Licht aus einem gleichen Spektralbereich um die Wellenlänge, welche bei seiner Aufnahme verwendet wurde, rekonstruiert werden kann. Diese wirksame Wellenlängen-Bandbreite wird durch die Dicke und Brechungsindexmodulation des Hologramms bestimmt. Wird ihre zentrale Wellenlänge identisch mit der Grundfarbe des Projektors und die Bandbreite des Hologramms größer oder gleich der Bandbreite der Grundfarbe des Projektors eingestellt, dann wird das gesamte Projektorlicht selektiv von dem Bildschirmhologramm reflektiert. Aber gleichzeitig wird Licht anderer Wellenlängen wie z.B. störendes Fremdlicht ungehindert durchgelassen, wo es dann nicht mehr stört bzw. in einer schwarzen Fläche, absorbiert werden kann.
Zusammengefasst: bei dem Stand der Technik nach der DE 197 00 162 B4 erfordert die Rekonstruktion der holographischen Leinwand gleichzeitig die Erfüllung von zwei Bedingungen: Erstens muss die Projektionsrichtung mit der Aufnahmerichtung des Referenzstrahles übereinstimmen, zweitens muss die Farbe des Projektorlichtes mit der Wellenlänge der Aufnahme der holographischen Leinwand identisch sein. Erst dann werden Bilder des Projektors, die auf diese projiziert werden, sichtbar. Dadurch wird aber zusätzlich erreicht, dass Fremdlicht aus anderen Richtungen als der optimalen Richtung des Projektors – auch solches mit der spezifischen Farbe des Projektors – ungehindert das Hologramm passiert und die Aufprojektion nicht mehr stören kann. Ebenso wird Fremdlicht, welches aus der Richtung des Projektors fällt, aber eine andere Farbe hat als die, die für das Hologramm spezifiziert wurde, ungehindert durchgelassen.
Es versteht sich, dass bei dieser Lösung zur Unterdrückung von Fremdlicht bei einer Aufprojektion ein bei der Aufnahme des Hologramms vorher festgelegter Einfallswinkel der Aufnahme auch bei der Projektion eingestellt werden muss. Dies bedeutet für die meisten Anwendungen keine Einschränkung, denn Projektoren und Leinwände sind in Vorführräumen vorwiegend feste Installationen. Es bieten sich zwei alternative Anwendungsmöglichkeiten des dünnen Bildschirmhologramms an, entweder als Bilddarstellungsfläche vor einer schwarzen Fläche, die das durchgehende Fremdlicht absorbiert, oder als Bildfläche ohne Absorberwand. Die erste Alternative wäre z.B. für Wandprojektionen vom Vorteil. Die zweite hingegen für freistehende Bildschirme auf Glasscheiben sowie Fenstern und Trennwänden, die dem Zuschauer dann ermöglichen, zusätzlich oder alternativ zu der Projektion den Raum hinter dem Bildschirm im Auge zu behalten.
Da jeder Farb-Projektor mindestens drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zur Bildwiedergabe des ganzen Farbraums aufweist, sollen holographische Bildschirme zur unverfälschten Farbprojektion ebenfalls mindestens drei Hologrammbildern dieser Farben aufweisen. Gleichzeitig werden die spektralen Bandbreiten der Hologramme an die Bandbreite des Projektors angepasst. Entweder werden in einer Hologrammfolie drei gemeinsam belichtete Hologrammbilder oder drei aufeinander geschichtete getrennte Hologrammfolien verwendet – jede für eine andere Grundfarbe. Bei einer Bildprojektion streut jedes einzelne Hologramm nur ihre spezifische Grundfarbe zurück und lässt das Licht anderer Farben ungehindert durch. Es werden Volumenhologramme, d.h. Hologrammfolien mit einer Dicke der mehrfachen Wellenlänge (5–20 µm) verwendet. Sie weisen gegenüber dünnen Bildschirmen die vorteilhaften engen Toleranzen des Projektionswinkels der Projektionswellenlänge und der spektralen Bandbreite auf.
Der holographische Aufprojektionsschirm hat gegenüber den auf dem Markt angebotenen und oben beschriebenen konventionellen Schirmen zur Winkel- und Farbdiskriminierung die Vorteile des geringeren Gewichts, des einfacheren Aufbaus und der niedrigeren Kosten. Außerdem geschieht seine Herstellung auf gleichem Wege wie Hologramme in ihren weitverbreiteten Anwendungen in der Sicherheits- und Dekortechniken.
Die Aufnahmetechnik der oben genannten DE 197 00 162 B4 hat jedoch mit folgenden grundsätzlichen technischen Schwierigkeiten zu kämpfen. Zur Herstellung größerer Masterhologramme werden mit der heute verfügbaren Laserleistung sehr lange Belichtungszeiten benötigt. Sie setzt dann eine sehr hohe Frequenzstabilität der verwendeten Laser und hohe mechanische Stabilität der Aufbauten der Belichtungseinrichtung voraus, die mit dem heutigen Stand der Laser- und Belichtungstechnik nur schwer zu erfüllen sind. Weiterhin setzt die Herstellung eines homogen streuenden Schirms eine gleichmäßige Belichtung über den ganzen Querschnitt des Hologramms voraus. Dies ist wegen des gaußförmigen Intensitätsprofiles eines Laserstrahles d.h. seiner natürlichen radialen Intensitätsabnahme zu den Rändern hin, schwierig zu erzielen. Dies führt dann zu einem unterschiedlichen Belichtungsverlauf in den drei Hologrammen der Grundfarben und dadurch zu unerwünschten Farbstörungen im Bildinhalt.
Um diese Unzulänglichkeiten der holographischen Schirme zu verbessern, wird in der DE 199 34 162 B4 „Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bildschirmhologrammen, sowie Bildschirmhologramm“ folgendes vorgeschlagen: Als erstes soll die Belichtung der holographischen Schirme mit Laserpulsen mit so kurzer Dauer vorgenommen werden, dass die Instabilitäten mit ihrer langen Zeitkonstante keinen Einfluss auf die Belichtung mehr haben können. Und als zweites soll die holographische Aufnahme eines Aufprojektionsschirmes nicht als ein ganzes Bild in einem Hologramm mit Hilfe eines aufgeweiteten Belichtungsstrahls gespeichert werden, sondern durch Aufnahme einer Vielzahl von Einzelbildern, d.h. Einzelhologramme (Pixelhologrammen). Diese können aber mit einem gebündelten Strahl mit einer festen Intensität und konstanter Belichtungszeit in einem Scanvorgang über eine größere Fläche einbelichtet werden. Pixelhologramme können so klein und dicht nebeneinander liegend in dem Hologramm gespeichert werden, dass es für den Betrachter den Anschein hat, als würde es sich um eine homogene Projektionsfläche handeln. Mit der Verwendung der gleichen Aufnahmebedingungen wie bei einem homogenen Schirm werden in jedem dieser Pixelhologramme die vorteilhaften Eigenschaften der Eingrenzung des wirksamen Projektionswinkels, der Projektionswellenlänge und der spektralen Bandbreite gespeichert.
Die in der DE 199 34 162 B4 vorgeschlagene Aufnahmetechnik eines Reflexionshologramms sieht das Abscannen eines solchen Hologramms vor, das auf der Unterseite mit einem natürlichen Schirm im engen optischen Kontakt steht (Aufnahmetechnik nach Denisyuk). Verwendet wird z.B. ein gepulster Laser. Der Scanner wird am späteren Aufstellungsort des Projektors als Strahlquelle für die Rekonstruktion des holographischen Schirms aufgestellt. In diesem in der DE 199 34 162 B4 vorgeschlagenen Scanverfahren wird die lokale Streulichtverteilung jedes einzelnen beleuchteten Punktes des Schirmes (Pixels) in dem Hologramm durch Rückstreuung aus der Vorlage aufgenommen und gespeichert.
Mit diesem Verfahren kann wegen der festen aber einstellbaren Intensität des Belichtungslasers in allen gescannten Punkten über den Querschnitt des Hologramms eine homogene Belichtung mit hoher Farbstabilität erreicht werden. Mit einer sehr kurzen Pulsdauer der Belichtung kann auch der Einfluss von Laserinstabilitäten und mechanischen Erschütterungen auf Belichtungseffizienz und Kontrast der Aufnahme umgegangen werden. Für die Wiedergabe der drei oder mehr Grundfarben sieht die DE 199 34 162 B4 auch mehrere aufeinander gestapelte Hologramme, wie in einem Sandwich, vor.
Die Aufnahmetechniken der beiden oben genannten Druckschriften DE 199 34 162 B4 und DE 197 00 162 B4 haben jedoch folgende Mängel.
Es werden mit ihnen feste Streueigenschaften natürlicher Streuvorlagen in dem Hologramm gespeichert. Eine dieser festgelegten Eigenschaften ist die lokale Winkelverteilung der Streuintensität in Abhängigkeit vom Einfallswinkel eines Lichtstrahles, die bei den meisten streuenden natürlichen Flächen ihr Maximum annimmt, wenn der Abstrahlwinkel gleich dem Einfallswinkel (Reflexionswinkel) ist. Bei einer Aufprojektion seitlich auf einen großen Schirm bzw. mit einem großen Öffnungswinkel ist diese Winkelverteilung der Streuung, wie sie in 1 dargestellt ist, sehr ungünstig, da mit ihr nur ein geringer Teil des gestreuten Lichts, in den Winkelbereich des Zuschauerraums, gelangt. Gleichzeitig variiert die wahrgenommene Leuchtdichte des Schirms in Abhängigkeit von der Position des Zuschauers. Eine erwünschte Streuverteilung des Schirms wäre, wie in 2 dargestellt ist, eine Streuung des Schirmes vorwiegend in Richtung zu den Betrachtern. Dies setzt jedoch dann eine ständige Änderung des Abstrahlwinkels in ihre Richtung über die gesamte Fläche des Bildschirmes voraus.
Bei der Verwendung von Laserprojektoren tritt ein zusätzliches ernsthaftes Problem auf, nämlich die Ausbildung einer Lasergranulation, „Speckles“ des Bildes im Auge des Betrachters, die bei natürlichen Leinwänden oder anderen streuenden Flächen als Vorlage sehr ausgeprägt sind. Speckles entstehen durch Überlagerung von Teilwellen, die an den statistisch verteilten Mikrorauhigkeiten der Leinwandfläche gestreut werden und miteinander interferieren. Diese Mikrorauhigkeiten und in der Ortsfrequenz statistisch verteilten Speckles werden wiederum in dem Hologramm bei der Aufnahme des Schirms abgebildet und gespeichert und führen dann bei der Bildwiedergabe zu unverminderter bzw. erhöhter Specklebildung.
Beide hier beschriebenen Mängel der aus der DE 197 00 162 B4 und der DE 199 34 162 B4 bekannten Verfahren sind eine Konsequenz der Verwendung von natürlichen Streumaterialien aus feinen Körnern der Oberfläche mit statistischer Ortsverteilung zur Aufweitung des Projektorlichtes. Durch sie ist der Abstrahlwinkel eindeutig festgelegt und eine starke Specklebildung ist unvermeidlich.
Um den ersten Nachteil zu beheben, sollte in einem verbesserten Bildschirm die feste Verbindung zwischen Einfalls- und Abstrahlwinkel aufgehoben werden. Weiterhin sollte er derart gestaltet werden, dass das Projektorlicht abhängig von seinem Einfallswinkel in variablen Abstrahlwinkeln in Richtung zum Zuschauerraum geleitet werden kann. Um den zweiten Nachteil, die starke Specklebildung zu vermindern, soll dafür gesorgt werden, dass die Wellenfronten, die von dem Bildschirm ins Auge des Betrachters gelangen, keine unregelmäßigen Interferenzen sondern höchstens zu periodischer Intensitätsverteilung vor dem Schirm und im Auge des Betrachters führen, die mit relativ einfachen kostengünstigen bekannten optischen Maßnahmen ausgemittelt werden können.
Um beides zu erreichen, werden neuerdings computerberechnete nanostrukturierte Streuschirme entwickelt. In diesen werden vorzugsweise binäre diffraktive Oberflächenstrukturen mit Elektronenstrahl-lithographischen Verfahren geschrieben, die eine angepasste Änderung des Streuwinkels ermöglichen. Solche Strukturen werden z.B. von W. Freese et al. in dem Artikel: „Design of binary subwavelength multiphase level computer generated holograms" in Optics Letters, Vol. 35, Seite 676–678 (2010) beschrieben. Hier wird in eine Photoresistschicht der Oberfläche einer Quarzglasplatte, mit sehr feinen binären Strukturen geschrieben. Diese Strukturen, von einer Größe unter der Wellenlänge des Lichtes, dienen dann als Masterstrukturen für ihre nachträgliche Übertragung in Hologrammmateralien wie Photopolymere und Filmmaterialien. Dazu werden gängige Verfahren der Umbelichtung eingesetzt.
Diese berechneten diffraktiven Streuelemente, haben jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass der Streuwinkel, wie es von Beugungswinkeln an Gittern bekannt ist, von der Wellenlänge abhängt und zu unterschiedlicher Leuchtdichte- und Farbverteilung über jeden einzelnen Master führen. Für jede Farbe muss deshalb ein eigener Master mit diesem komplizierten Verfahren hergestellt werden und alle Master und ihre Kopien aufeinander abgestimmt werden, damit einzelne Farbhologramme mit gleichen Abstrahlcharakteristiken entstehen. Wegen der kleinen Größe der Master, die elektronisch beschrieben werden können, muss nachträglich eine Vergrößerung auf das erforderliche Maß eines Bildschirmes mit einem nachträglichen optischen Vervielfältigungsverfahren vorgenommen werden.
Das computerberechnete und elektronisch geschriebene Hologramm braucht deshalb mehrere Zwischenschritte der Winkel-, Farb- und Größenumskalierung bis der in Quarzglas geätzte Master von typischerweise 6 Zoll Durchmesser in das endgültige Format des Bildschirms von z.B. 60 Zoll Breite gebracht werden kann. Außerdem muss die Grundstruktur des Masters in einzelne Phasenhologramme für die verschiedenen Farben, umgesetzt werden.
Mit dieser Technik können zwar holographische Schirme mit gezielter variabler Streucharakteristik über größere Schirmflächen hergestellt werden. Der Weg bis dorthin ist jedoch sehr lang und kostspielig. Es dürfen auch keine lokalen Einzelfehler bei der Übertragung auftreten, denn sie würden sofort zu einer Qualitätsminderung des ganzen Schirms führen. Dies ist aber bei den vielen Stufen dieser Herstellung kaum vermeidbar.
Durch die Verwendung von diffraktiven Strukturen mit sub-wellenlängen Größe in jedem Pixel des Hologramms findet nur eine Beugung der nullten Ordnung statt mit gleichzeitiger Unterdrückung aller höheren Ordnungen. Damit entsteht eine homogene Wellenfront der abgestrahlten Welle im Fernfeld, die dann auf jedes einzelne Pixel bezogen speckelfrei sein wird. Jedoch entsteht vor allem bei einer Laserprojektion durch die Überlagerung der Wellen von benachbarten getrennten Pixeln mit einer Trennung von mehreren Wellenlängen Abstand ähnlich wie bei zweidimensionalen Gittern ein periodisches Wellenfeld mit variierendem Intenstitätsverlauf. Wegen des relativ großen Periodenabstandes in diesem Gitter ist der Intensitätsverlauf sehr fein strukturiert und deshalb schwierig zu beheben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung eines holographischen Bildschirms für Aufprojektion aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung schafft gemäß eines ersten Aspekts ein Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen für Aufprojektion mit einer Bedeckung des Bildschirms durch einzelne holographische Bildpixel, wobei die Bildschirmpixel durch Überlagerung wenigstens eines ersten Beleuchtungsstrahles und eines zweiten Beleuchtungsstrahles und unterschiedliche Winkelausrichtungen wenigstens eines der Beleuchtungsstrahlen mit unterschiedlichen Austrahlrichtungen vorgesehen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bildschirmpixel, vorzugsweise durch optische Linsenanordnungen, von beiden Seiten eines Hologrammfilms beleuchtet werden, wobei der Hologrammfilm von der einen Seite mit dem ersten Beleuchtungsstrahl und von der anderen Seite mit dem zweiten Beleuchtungsstrahl beleuchtet wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bildschirmpixel jedes Mal in ein gleiches Pixelvolumen eines Hologrammfilmes mit Hilfe einer Schwenkeinrichtung und einer Schiebevorrichtung und einer gemeinsamen Scanbewegung der beiden Strahlen über die Fläche des Bildschirmhologramms beleuchtet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bildschirmpixel zeitlich hintereinander durch eine gemeinsame laterale und vertikale rasterförmige Scanbewegung des ersten und des zweiten Beleuchtungsstrahles relativ zu einem Hologrammfilm hergestellt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Beleuchtungsstrahl ein Referenzstrahl ist, der, vorzugsweise als ebene Welle, mit einer Achsausrichtung stets zu einem festen Punkt (P) im Raum ausgerichtet ist und/oder dass der zweite Beleuchtungsstrahl ein Objektstrahl ist, der, vorzugsweise mit einem Teil einer sphärischen Welle, in einem Holgrammfilm ein gemeinsames Schnittvolumen mit dem Referenzstrahl hat, und dessen Achse und/oder dessen Öffnungswinkel zum Herstellen der unterschiedlichen Pixel unterschiedlich eingestellt werden, um die unterschiedlichen Abstrahlwinkel pro Pixel herzustellen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Achse des Objektstrahls mit einer Dreh- und/oder Verschiebevorrichtung auf das gemeinsame Schnittvolumen gerichtet wird und/oder dass die Strahlachse und der Öffnungswinkel des Objektstrahls eingestellt werden, um einen gewünschten Winkelbereich eines Zuschauerraumes des Bildschirmhologramms auszuleuchten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Beleuchtungsstrahl durch einen gemeinsamen Laser erzeugt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Beleuchtungsstrahl zu ihren zugeordneten relativ zu einem Holgrammfilm beweglichen Linsenanordnungen durch optische Fasern, vorzugsweise durch monomodige Glasfasern, geleitet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Beleuchtungsstrahl wahlweise direkt zur Belichtung eines einzelnen Bildpixels verwendet wird oder in mehrere Moden aufgespaltet wird, um mehrere Bildpixel gleichzeitig zu beleuchten.
Gemäß eines weiteren Aspekts schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Bildschirmhologrammen für eine Aufprojektion durch Ausbildung der Bildschirmhologramme aus einzelnen holographischen Bildpixeln, mit:
einer Lichtquelle für eine holographische Aufnahme einer Interferenz eines ersten Beleuchtungsstrahls und eines zweiten Beleuchtungsstrahls, und
einer Scanvorrichtung zum Führen des ersten Beleuchtungsstrahls und des zweiten Beleuchtungsstrahls beweglich relativ zu einem Hologrammfilm,
wobei die Scanvorrichtung derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die Achse des ersten Beleuchtungsstrahls relativ zu dem Hologrammfilm bei jeder Pixelbelichtung auf einen festen Punkt (P) im Raum ausgerichtet ist und dass die Achse und/oder ein Öffnungsswinkel eines fokussierenden zweiten Beleuchtungsstrahls relativ zu dem Hologrammfilm variabel in einen Winkelbereich eines Zuschauerraums gerichtet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schwenkeinrichtung zur unterschiedlichen Einstellung der Winkelausrichtung des zweiten Beleuchtungsstrahles pro Pixel vorgesehen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle einen gepulsten Laser aufweist, dessen Pulslänge zur Belichtung einzelner holographischer Bildpixel ausgebildet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Strahlleiteinrichtung zum Leiten des ersten Beleuchtungsstrahls und des zweiten Beleuchtungsstrahls vorgesehen und derart ausgebildet, dass die Lichtwegdifferenz des ersten und des zweiten Beleuchtungsstrahls von einem gemeinsamen Laser als Lichtquelle bis zu dem Holgrammfilm über den gesamten Scanbereich hinweg kürzer als die Kohärenzlänge des Lasers ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Aufspaltungseinrichtung, vorzugsweise ein Transmissionsgitter, zur Aufspaltung des zweiten Beleuchtungsstrahls in eine Mehrzahl von mehreren Moden zur gleichzeitigen Belichtung mehrere Pixel vorgesehen ist.
Eine besonders bevorzugte Verwendung eines Bildschirmhologramms, herstellbar mit einem Verfahren und/oder einer Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, zur Aufprojektion, ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer parallelen Bildprojektion der Strahlengang eines Projektors vom Auge des Zuschauers nicht wahrnehmbar bewegt wird, um ein Specklemuster der Bildschirmpixel im Raum auszumitteln, oder bei einer seriellen Bildprojektion der Durchmesser der Bildschirmpixel und des Projektionsstrahls gegenüber dem Durchmesser eines durch das Auge eines Zuschauers am Bildschirm noch auflösbaren Auflösungselements so gewählt wird, dass eine Ausmittelung eines Specklemusters durch die Bewegung des Projektionsstrahles zur seriellen Bildprojektion erfolgt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste optische Faser, insbesondere monomode Glasfaser, zum Leiten des ersten Beleuchtungsstrahls von der Lichtquelle zu einem relativ zu dem Holgrammfilm beweglichen Schreibkopf des ersten Beleuchtungsstrahls vorgesehen ist und dass eine zweite optische Faser, insbesondere monomode Glasfaser, zum Leiten des zweiten Beleuchtungsstrahls von der Lichtquelle zu einem relativ zu dem Hologrammfilm beweglichen Schreibkopf des zweiten Beleuchtungsstrahls vorgesehen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung von Bildschirmphasenhologrammen für elektronische Aufprojektion mit einer Bedeckung des Schirmes durch einzelne holographische Bildschirmpixel wobei die Bildschirmpixel unterschiedliche Abstrahlrichtungen haben, die durch Überlagerung von zwei Beleuchtungsstrahlen eines Referenz- und eines Objektstrahles, durch optische Linsenanordnung von beiden Seiten des Hologrammfilms jedes Mal in gleiches Pixelvolumen des Hologrammfilms, mit Hilfe von Dreh- und Schiebevorrichtung und gemeinsame Scanbewegung über die ganze Fläche des Bildschirmhologramms beleuchtet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Pixel zeitlich hintereinander durch gemeinsame laterale und vertikale rasterförmige Scanbewegung der beiden Linsenanordnungen entlang des Filmes hergestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass der Referenzstrahl eine ebene Welle mit einer Achsenausrichtung immer zu einem festen Punkt P im Raume bei ausgeleuchtet wird.
Es ist bevorzugt, dass der Objektstrahl einen Teil einer sphärischen Welle, die im Hologrammfilm ein gemeinsames Schnittvolumen mit dem Referenzstrahl hat, darstellt.
Es ist bevorzugt, dass die Achse des Objektstrahles mit einer Dreh- und Verschiebevorrichtung auf das gemeinsame Schnittvolumen gerichtet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Strahlachse und der Öffnungswinkel des Objektstrahles eingestellt werden, um einen ausreichenden Winkelbereich eines Zuschauerraums des Bildschhirmhologramms auszuleuchten
Es ist bevorzugt, dass der Objektstrahl und Referenzstrahl von einem gemeinsamen Laser herrühren und bis zu der beweglichen Linsenanordnungen des Objektstrahles und Referenzstrahles am Hologramm durch monomodige Glasfaser geleitet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Bildschirmpixel die bei den Einzelbelichtungen und Scanbewegung entstehen, so dicht nebeneinander liegen, dass keine unbelichteten Lücken in dem gesamten Bildschirmhologramm entstehen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Herstellung von Bildschirmhologrammen bestehend aus einzelnen holographischen Bildschirmpixeln für elektronische Aufprojektion mit einer schmalbandigen Laserquelle für die holographische Aufnahme der Interferenz von Objekt- und Referenzstrahl, wobei die Vorrichtung eine Scanvorrichtung zum Führen der beiden Strahlen über den Bildschirm umfasst, die so ausgelegt ist, dass die Achse des Referenzstrahles jedes Mal auf einen festen Punkt im Raum und die Achse des fokussierten Objektstrahles und sein Öffnungswinkel variabel in den Winkelbereich des Zuschauerraums ausgerichtet sind.
Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Laserquelle aufweist, die eine ausreichend kurze Belichtungszeit zur Herstellung einzelner holographischen Bildschirmpixeln während der Scanbewegung besitzt.
Es ist bevorzugt, dass die Lichtwegdifferenz des Objektstrahles und Referenzstrahles von einer gemeinsamen Laserquelle bis zum Hologramm trotz der Scanbewegung mit einer Einstellung der Glasfaserlänge kürzer ist als die Kohärenzlänge der Laserquelle
Es ist bevorzugt, dass wahlweise die aus der Glasfaser des Objektstrahles austretende Fasermode direkt zur Belichtung eines einzelnen Bildpixels oder nach dem Durchgang der Mode durch ein Transmissionsgitter in mehrere Ordnungen aufgeteilte Mode zur Belichtung mehrerer Bildpixel gleichzeitig verwendet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Größe der Bildschirmpixel so eingestellt ist, dass sie nicht vom Zuschauerauge vor dem Bildschirm aufgelöst werden kann und gleichzeitig ihr Specklemuster im Raum mit einer vom Auge nicht wahrnehmbarer Bewegung des Strahlenganges des Projektors bei einer parallelen Bildprojektion bis zum Bildschirm ausgemittelt wird.
Es ist bevorzugt, dass der Durchmesser der Bildschirmpixel und des Projektionsstrahles einer seriellen Bildprojektion gegenüber dem Durchmesser des Auflösungselements des Auges am Bildschirm so gewählt wird, dass eine ausreichende Ausmittelung des wahrgenommenen Specklemusters alleine durch die Bewegung des Projektionsstrahles stattfindet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1a, 1b: Winkelverteilung von Projektorlicht mit Ursprung im Punkt P auf einer konventionellen Leinwand und holographischen Leinwänden, die als direktes Abbild einer konventionellen Leinwand hergestellt werden, relativ zur Positionen von Zuschauern vor der Wand.
2a, 2b: Erwünschte verbesserte Winkelverteilung des von einer Leinwand abgestrahlten Lichtes gegenüber der in den 1a und 1b zum Stand der Technik dargestellten Situationen.
3a, 3b, 3c: Querschnitt von Referenzstrahl (plane Welle) und Objektstrahl (fokussierte Welle) im Hologramm mit Fokuspunkt vor dem Hologramm. Gezeigt werden Querschnitte am oberen Rand des Hologramms in 3a, in der Mitte in 3b und unterem Rand des Hologramms in 3c.
4a, 4b, 4c: Gleiche Darstellung wie bei 3a, 3b und 3c aber mit einem Fokuspunkt des Objektstrahles hinter dem Hologramm.
5a, 5b; 5c: Rekonstruktion von Hologrammaufnahmen nach 3a, 3b und 3c mit Hilfe einer ebenen Welle als Ausschnitt des Projektorstrahles aus der Projektorquelle im Punkt P.
6a, 6b, 6c: Rekonstruktion von Hologrammaufnahmen nach 4a, 4b und 4c mit einer ebenen Welle aus Projektorquelle im Punkt P.
7a, 7b: ein erstes Beispiel eines Aufbaus einer Belichtungsvorrichtung für Bildschirmhologramme.
8a, 8b: ein zweites Beispiel für den Aufbau einer Belichtungsvorrichtung für Bildschirmhologramme.
9: eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Strahlengang des Referenz- und Objektstrahles bis zum Hologramm.
10: ein erstes Beispiel für ein dichtes Aneinanderreihen der Hologrammpixel im Bildschirmhologramm entlang einer Zeile und zwischen benachbarten Zeilen bei einem kreisförmigen Strahl.
11: ein zweites Beispiel für ein dichtes Aneinanderreihen der Hologrammpixel im Bildschirmhologramm entlang einer Zeile und zwischen benachbarten Zeilen bei einem sechseckigen Strahl.
12: eine Reihe der getrennten Fokuspunkte der dicht aneinandergereihten Hologrammpixel in einer Ebene außerhalb des Hologrammmaterials. Die Achse der Bildpixel sind auch angedeutet.
13: eine beispielhafte Aufteilung des Objektstrahles in mehrere Belichtungsstrahlen der unterschiedlichen Ordnungen in einem Transmissionsgitterhologramm zwischen Glasfaser und Belichtungsoptik des Objektstrahles.
14: einige Beispiele der Belichtungsmuster des Objektstrahles nach der Strahlaufteilung im Transmissionsgitter in 13.
15: ein Beispiel eines Übereinanderstapelns der Hologramme der drei Farben Rot (R), Grün (G) und Blau (Blau) auf einer durchsichtigen Trägerplatte (T) mit einer zusätzlichen Absorberschicht (A).
16: ein Beispiel eines Übereinanderstapelns der Hologramme der RGB-Farben auf eine Trägerplatte (T) ohne Absorberschicht.
17: ein Beispiel für eine parallele Bildprojektion auf einem holographischen Bildschirm mit Darstellung der Bildschirmstruktur innerhalb des Kreises der Bildauflösung des Betrachterauges.
18: ein Beispiel für eine serielle Laser-Bildprojektion auf einem holographischen Bildschirm mit Darstellung der Bildschirmstruktur innerhalb des Kreises der Bildauflösung des Betrachterauges und des Schnittpunkts des Laserstrahles mit der Oberfläche des Hologramms.
19: eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Umsetzung der Variation Δs einer lateralen Verschiebung eines einfallenden Strahles vom Projektor auf ein Bildschirmpixel in eine Winkeländerung Δφ bzw. eine transversale Wegänderung ΔS hinter dem Bildschirmhologramm im Zuschauerraum.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Darstellung in den Zeichnungen näher erläutert.
1a zeigt eine Seitenansicht einer Winkelverteilung einer Auflichtprojektion nach dem Stand der Technik, wie er in der DE 197 00 162 B4 und der DE 199 34 162 B4 beschrieben ist. 1b zeigt diese Winkelverteilung von oben gesehen. Gezeigt ist die von Projektorlicht 10 mit Ursprung im Punkt P auf einer konventionellen Leinwand 12 und auf holographischen Leinwänden 14, die als direktes Abbild einer konventionellen Leinwand 12 hergestellt werden, relativ zur Positionen von Zuschauern 15 vor der Wand.
Eine der festgelegten Eigenschaften bei dem Stand der Technik ist die lokale Winkelverteilung der Streuintensität in Abhängigkeit vom Einfallswinkel eines Lichtstrahles, die bei den meisten streuenden natürlichen Flächen ihr Maximum annimmt, wenn der Abstrahlwinkel gleich dem Einfallswinkel (Reflexionswinkel) ist. Bei einer Aufprojektion seitlich auf einen großen Schirm bzw. mit einem großen Öffnungswinkel ist diese Winkelverteilung der Streuung, wie sie in 1 dargestellt ist, sehr ungünstig, da mit ihr nur ein geringer Teil des gestreuten Lichts, in den Winkelbereich des Zuschauerraums, gelangt. Gleichzeitig variiert die wahrgenommene Leuchtdichte des Schirms in Abhängigkeit von der Position des Zuschauers 15.
Eine erwünschte Streuverteilung des Schirms wäre, wie in 2 dargestellt ist, eine Streuung des Schirmes vorwiegend in Richtung zu den Zuschauern 15. Dies setzt jedoch dann eine ständige Änderung des Abstrahlwinkels in ihre Richtung über die gesamte Fläche des Bildschirmes voraus. 2a zeigt eine Seitenansicht vergleichbar zu 1a auf die erwünschte verbesserte Winkelverteilung des von einer Leinwand 12, 14 abgestrahlten Lichtes gegenüber der in den 1a zum Stand der Technik dargestellten Situation. 2b zeigt eine Draufsicht vergleichbar zu 1b auf die erwünschte verbesserte Winkelverteilung des von der Leinwand 12, 14 abgestrahlten Lichtes gegenüber der in 1b dargestellten Situation nach dem Stand der Technik.
Im Folgenden werden ein Verfahren zur Herstellung eines holographischen Bildschirms sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines holographischen Bildschirms für die elektronische Aufprojektion beschrieben, mit denen die Unterscheidung des Umgebungslichtes und des Projektionslichtes 10 in Bezug auf ihre Einfallsrichtung und Farbe über Bildschirmhologramme auch mit Hilfe der Holographie zur Diskriminierung von Einfallswinkel und Rekonstruktionswellenlängen in Pixel-Phasenhologrammen, vorgenommen werden. Weiter soll einerseits eine Anpassung der Winkelabstrahlcharakteristik über den ganzen Querschnitt des holographischen Schirms an die Standortverteilung der Zuschauer vor dem Schirm ermöglicht und andererseits bei der Verwendung von Lasern als Projektorlichtquelle das Entstehen von Bildspeckles erheblich reduziert werden, um ihre Ausmittelung mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.
Hierzu wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen für Aufprojektion, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Bildschirmphasenhologrammen für elektronische Aufprojektion mit einer Bedeckung des Schirmes durch einzelne holographische Bildschirmpixel vorgeschlagen, bei dem die Bildschirmpixel unterschiedliche Abstrahlrichtungen haben, die durch Überlagerung von zwei Beleuchtungstrahlen, eines Referenz- und eines Objektstrahles, durch optische Linsenanordnung von beiden Seiten des Hologrammfilms jedes Mal in gleiches Pixelvolumen des Hologrammfilms, mit Hilfe von Dreh- und Schiebevorrichtung und gemeinsame Scanbewegung über die ganze Fläche des Bildschirmhologramms beleuchtet werden.
Weiter wird gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Herstellung von Bildschirmhologrammen bestehend aus einzelnen holographischen Bildschirmpixeln für elektronische Aufprojektion mit einer schmalbandigen Laserquelle für die holographische Aufnahme der Interferenz von Objekt- und Referenzstrahl vorgeschlagen, die eine Scanvorrichtung zum Führen der beiden Strahlen über den Bildschirm aufweist, die so ausgelegt ist, dass die Achse des Referenzstrahles jedes Mal auf einen festen Punkt im Raum und die Achse des fokussierten Objektstrahles und sein Öffnungswinkel variabel in den Winkelbereich des Zuschauerraums ausgerichtet sind.
Bei dem Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Bildschirm für Aufprojektion durch die Belichtung von einer großen Vielzahl von Einzelaufnahmen, der Bildschirmpixel, als Phasenhologramme hergestellt, wobei jedes Pixel so klein gewählt wird, dass es nicht als Einzelelement vom Auge eines Betrachter erkannt werden kann. Dies bedeutet z.B., dass bei angenommener Winkelauflösung des Auges von 1 Bogenminute, d.h. etwa 0,3 millirad, die einem Auflösungselement von 0,3 mm Durchmesser in einem Betrachtungsabstand von 1 m entspricht, die Bildpixel deutlich kleiner sein sollten, z.B. 0,1 mm. Bei einem typischen Leseabstand am Display von 33 cm dann auch kleiner als 0,1 mm oder z.B. 0,03 mm. Diese Pixelgrößen sind immer noch im Vergleich mit der Wellenlänge des Lichtes von etwa 0,0005 mm sehr groß und die angestrebten Filterfunktionen gegenüber Wellenlänge und Einfallsrichtung von einfallenden Licht, die oben beschrieben wurden, können hier in gleicher Weise realisiert werden wie bei einem großen Hologramm.
Die Zusammensetzung bzw. Überlagerung aller Bildschirmpixel, die als miniaturisierte Phasenhologramme einbelichtet sind, ergibt dann den ganzen Schirm als ein Masterhologramm. Die Pixel werden mit Hilfe eines schnellen Scanvorschubs über das ganze Bildschirmhologramm mit einem Dauerstrich emittierenden oder gepulsten Laser einbelichtet.
Die bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung schlagen vor, die holographischen Bildschirme nicht als holographische Abbildung einer streuenden Fläche, wie es in dem Stand der Technik der Fall ist und nicht als Einbelichtung einer durch Computer berechneten und mit Elektronen-Strahl lithographischen Verfahren geschriebenen diffraktiven Strukturen herzustellen.
Stattdessen schlagen die bevorzugten Ausgestaltungen vor, jedes Bildpixel durch die Überlagerung von wenigstens zwei vorher eingestellten Wellenfronten eines Objektstrahles und eines Referenzstrahles, die mit refraktiven bzw. reflektiven Optiken geformt werden können, in dem Hologramm aufzunehmen. Holographische Strukturen, die sich mit dieser Überlagerung planer und sphärischer Welle ergeben, sind mit den sogenannten klassischen Fresnel-Zonen- bzw. Phasenplatten, die gleiche Funktionen wie Linsen und Hohlspiegeln der klassischen Optik ausüben können, direkt vergleichbar.
In Einzelheiten werden folgende Aufnahmetechnik vorgeschlagen: Einzelne Bildpixel werden mit der direkten Überlagerung planarer Welle und gekrümmter Welle in z.B. zwei gekreuzten Strahlen einbelichtet, die sich aus entgegengesetzer Richtung zu dem Hologramm immer am gleichen Ort in dem Hologramm treffen. Zur Belichtung einer größeren Hologrammfläche werden beide Strahlen entlang einer Scanspur geführt und orthogonal dazu entlang einer Vielzahl von parallelen Scanspuren. Die beidseitige Belichtung von Objekt- und Referenzstrahl entspricht der üblichen Aufnahmetechnik von Reflexionshologrammen. Hierbei entspricht der Strahl der ebenen Welle (erster Beleuchtungsstrahl) dem Referenzstrahl und der Strahl der konkav gewölbten Wellenfront mit Zentrum nahe an dem Hologramm (zweiter Beleuchtungsstrahl) stellt den Objektstrahl dar. Es wird eine Versetzung des Brennpunktes des Objektstrahles außerhalb der Ebene des Hologramms vorgeschlagen, die den Vorteil hat, dass ein besserer Überlapp für alle Einstrahlwinkel der beiden Belichtungsstrahlen in dem Hologrammmaterial stattfindet. Um Interferenzen mit hohem Kontrast zu bilden, ist die gleiche lineare Polarisation der beiden Strahlen vorteilhaft. Da die Einfallswinkel der Strahlen teilweise groß sind, ist es für eine gute Effizienz der Belichtung vorteilhaft, die Einfallsebene der Strahlen auf das Hologramm als gemeinsame Polarisationsrichtung zu wählen.
Als geeignete Materialien für Phasenhologramme können z.B. Silberhalogenide, Photopolymere und Dichromatgelatine verwendet werden. Die Belichtungsempfindlichkeit der verschiedenen Materialien bis zur Sättigung liegt im Bereich von 0,1–1000 mJ/cm² je nach Material und Farbe der Belichtung. Das Silberhalogenidmaterial ist verwandt mit üblichen Schwarz-Weiß-Photofilmen und hat den Vorteil, dass es sowohl für Dauerstrichbelichtung als auch für gepulste Belichtung verwendet werden kann mit einer Empfindlichkeit von typischerweise 3 mJ/cm² bis zur Sättigung des Materials. Das Photopolymer zeichnet sich aus durch einen einfachen Entwicklungsprozess mit UV-Licht und Ausbacken anstatt eines chemischen Prozesses und seine gute Umweltstabilität. Seine Empfindlichkeit bis zur Sättigung beträgt etwa 50 mJ/cm². Da ihr Belichtungsprozess mit einer Zeitkonstante von etwa 1 ms gegenüber der Zeitkonstante von Silberhalogeniden in Picosekundenbereich wesentlich langsamer abläuft, sind Photopolymere hauptsächlich für Dauerstrichbeleuchtung geeignet. Dichromatgelatine sind dagegen relativ unempfindlich und hygroskopisch und sollten zwischen Glasplatten versiegelt werden, was sie für Anwendungen als Bildschirmhologramme weniger geeignet macht.
Bevorzugte Ausgestaltungen schlagen deshalb vor, Silberhalogenid für gepulste Belichtung als Basismaterial für die Herstellung von Masterhologrammen einzusetzen und Photopolymer zur Herstellung von Kopien durch die gängige Abbelichtung z.B. durch Kontaktkopien aus dem Master zu verwenden. Bei einer entsprechend langsamen Belichtung würde Photopolymer jedoch sowohl für Masterhologramme als auch für ihre Kopien in Frage kommen.
Die 3a, 3b, 3c zeigen einen Querschnitt von Referenzstrahl 20 (plane Welle) und Objektstrahl 22 (fokussierte Welle) im Hologramm 26 mit Fokuspunkt 24 vor dem Hologramm 26. Gezeigt werden Querschnitte am oberen Rand des Hologramms 26 in 3a, in der Mitte in 3b und unterem Rand des Hologramms 26 in 3c. Bei 27 ist die Hohlspiegelfunktion des Objektstrahles angedeutet. Die Achse 28 des Referenzstrahles 20 ist immer auf den Ursprung des Projektorlichts in Punkt P gerichtet; die Achse 30 des Objektstrahls 22 ist in Richtung zum Zuschauerraum gerichtet. Gemeinsamer Drehpunkt der beiden Achsen 28, 30 ist ihr Kreuzungspunkt S im Hologramm 26.
Die 4a, 4b, 4c zeigen die gleiche Darstellung wie bei 3a, 3b und 3c aber mit einem Fokuspunkt 24 des Objektstrahles 22 hinter dem Hologramm 26.
Insbesondere zeigen die 3 und 4 ein Querschnittsbild des Hologramms 26 mit den vorgeschlagenen Schreibköpfen 36, 34 bzw. der Linsensysteme 31, 32 des Referenzstrahles 20 bzw. des Objektstrahles 22 in den 3a, 3b und 3c und in den 4a, 4b und 4c jeweils in Positionen der Belichtung am oberen Rande, in der Mitte und am unteren Rand des Hologramms 26. Der Referenzstrahl 20 (ebene Welle) soll immer auf einen gemeinsamen Punkt P im Raume, den Ort des späteren Strahlaustritts des Projektors gerichtet sein. Der Objektstrahl 22 (sphärische Welle) wird gleichzeitig, wie in den 3 und 4 dargestellt ist, von der entgegengesetzen Seite des Hologramms 26 mit Hilfe eines Linsensystems 32 in Richtung zum Hologramm 26 fokussiert. Dies geschieht entlang einer Achse 30, die in den Zuschauerraum des Hologramms 26 bei der Wiedergabe gerichtet ist.
In dem Überlagerungsbereich beider Strahlen 20, 22 zwischen den gekrümmten (sphärischen) und den ebenen Wellenfronten in dem Hologramm 26 kommt es zu Interferenzen. Dieses Interferenzmusters der räumlichen Modulation des Brechungsindexes des Volumenhologramms wird in dem Hologramm 26 abgespeichert. Die Wellenfront des Objektstrahles 22 entspricht einem sphärischen Ausschnitt einer Kugelwelle, d.h. einer Kugelkalotte, deren Zentrum außerhalb des Hologramms 26 in Richtung zum Schreibkopf 34 des Objektstrahles 22 liegen kann (3), oder alternativ in Richtung zum Schreibkopf 36 des Referenzstrahles 20 (4). Eine weitere hier nicht abgebildete mögliche Alternative, wäre die Überlagerung der planen Welle des Referenzstrahles 20 mit dem Fokus 24 des Objektstrahles 22 in dem Hologrammmaterial selbst.
Die Achse 30 des Objektstrahles 22 wird während des Scannens der beiden Strahlen 20, 22 und ihrer Überlagerung entlang des Hologramms 26 mit einem Goniometer um einen Drehpunkt S in dem Hologrammmaterial in zwei Raumrichtungen kontinuierlich variiert wie in 3 und 4 gezeigt wird, um nach der Aufnahme den erwünschten Verlauf der Abstrahlwinkel, wie in 2 dargestellt ist, in Richtung zum Zuschauerraum zu erhalten. Der Referenzstrahl 20 wird auf dem Weg in Richtung zum festen Raumpunkt P einen kleinen Ausschnitt des Hologramms 26, typischerweise von 100 µm Durchmesser, zu jedem Zeitpunkt mit Hilfe eines zweiten Goniometers auch in zwei Raumrichtungen um S als Drehpunkt ausleuchten. Gleichzeitig durchquert der Objektstrahl 22 den gleichen Ausschnitt, in dem dann die erwünschte Interferenzfigur einbelichtet wird.
Mit einer entsprechenden Einstellung der numerischen Apertur der Linse des Schreibkopfes 32 des Objektstrahles 22 können unterschiedliche Öffnungswinkel des Objektstrahles 22 und der Durchmesser seines Fokus 24 und dann auch des abgestrahlten Strahles bei der Hologrammwiedergabe eingestellt werden.
Es versteht sich, dass der Objektstrahl 22 nicht zwangsweise eine rotationssymmetrische Welle darstellen muss, die mit einer herkömmlichen Linse fokussiert wird, sondern er kann auch mit einer Linse, die in den beiden Achsen unterschiedliche Brennweite haben, geformt werden. Dies führt dazu, dass bei der Rekonstruktion aus jedem Pixel ein unsymmetrischer Strahl mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln in x- und y-Richtung entsteht. Dies wäre z.B. von Vorteil wenn eine unsymmetrische Ausleuchtung eines Zuschauerraumes gewünscht wird.
Es wird, wie bereits grundsätzlich in dem Stand der Technik nach der DE 199 34 162 B4 bekannt, vorgeschlagen, entweder in ein einziges Hologramm die Pixel aller Grundfarben der Projektion hintereinander oder gleichzeitig mit den entsprechenden Belichtungslasern einzubelichten. Alternativ wird vorgeschlagen, für jede einzelne Farbe vollkommen identische Hologramme mit dem gleichen Verfahren und Aufbau als Masterhologramme, sogenannte H1 Hologramme, aufzunehmen, die dann mit den üblichen Vervielfältigungsverfahren als Kopien, sogenannte H2 Hologramme, für die Anwendungen hergestellt werden können. Es versteht sich, dass die verwendeten optischen Bauteile wie Glasfaser und Optiken für die Gestaltung des Referenzstrahles 20 und des Objektstrahles 22 dann achromatisch sein sollten.
Da Bildschirme für Spektralbereiche außerhalb des sichtbaren Bereiches z.B. UV- und IR-Bereichs zur Anwendung in Simulatoren für UV-Kameras und IR-Kameras (Nacht- und Wärmebildkameras) auch auf dem Markt benötigt werden, sehen weitere bevorzugte Ausgestaltungen auch vor, dass mit den dafür geeigneten Hologrammmaterialien und Lasern auch holographische Bildschirme mit dem gleichen Verfahren und Vorrichtungen wie im sichtbaren Bereich hergestellt werden können.
Die 5a, 5b und 5c zeigen Rekonstruktion von Hologrammaufnahmen nach 3a, 3b und 3c mit Hilfe einer ebenen Welle als Ausschnitt des Projektorstrahles aus der Projektorquelle im Punkt P. Die 6a, 6b und 6c zeigen Rekonstruktion von Hologrammaufnahmen nach 4a, 4b und 4c mit einer ebenen Welle aus Projektorquelle im Punkt P.
Die Rekonstruktion des Hologramms 26 geschieht wie bei anderen Reflexionshologrammen mit Hilfe des konjugierten Strahl des Referenzstrahls, d.h. mit Strahlen 38 die hier ihren Ursprung in dem raumfesten Quellenpunkt des Projektors P haben wie in 5 für den Fall der Belichtung nach 3 und in 6 den Fall der Belichtung in 4 dargestellt ist. Für einzelne Pixel sind dies einzelne annähernd parallele Strahlen 38 aus dem aufgeweiteten Projektionsstrahl 40, der die einzelnen Grundfarben der Projektion beinhalten. Hier entsteht wie die 5 und 6 zeigen, für jede Position eines einfallenden Strahlenbündels dann ein aufgeweitetes Strahlenbündel 42 mit einem Öffnungswinkel der dem Winkel des fokussierten Objektstrahls 22 entspricht.
Da die Achse 30 des Objektstrahles 22 kontinuierlich während der Aufnahme von einer Position des Scans zu einer anderen über die gesamte Fläche des Hologramms 26 geändert wird, gilt dies auch für die Wiedergabe der Strahlenbündel, die von diesen Positionen des Hologramms 26 abgestrahlt werden. Wenn z.B. ein paralleler Strahl 38 von dem Ort des Projektors P auf das Hologramm 26 fällt, wie schematisch in 5 und 6 für die drei Positionen an der oberen Kante, in der Mitte und an der unteren Kante des Hologramms in jeweils a), b) und c) dargestellt wird, entstehen unterschiedliche Strahlenbündel 42 aus dem Hologramm 26, die jedoch alle in Richtung Zuschauer mit unterschiedlichen Abstrahlwinkel aus dem Hologramm 26 gerichtet sind.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht für die technische Realisierung deshalb vor, dass die beiden Schreibköpfe 34, 36 für Referenzstrahl 20 und Objektstrahl 22 um zwei gekreuzte orthogonale Achsen in Schwenkrichtungen 44, 46 drehbar, d.h. in einem Goniometer 47, 50 mit dem gemeinsamen Drehpunkt S in Mitte des Hologrammmaterials montiert sind, wie dies in 7a angedeutet ist. Die Schreibköpfe 34, 36 werden beide um die zwei (x, y)-Koordinatenachsen am Hologramm 26 während des Scans mit entsprechenden Winkelantrieben gleichmäßig gedreht, um die jeweilige Achsenausrichtung, des Referenzstrahles 20 zum Projektorort P und des Objektstrahles 22 in Richtung zum Zuschauer 15 beizubehalten und gleichzeitig die gleiche Stelle im Hologramm 26 auszuleuchten.
Die 7a und 7b zeigen den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Belichtungsvorrichtung 48 für Bildschirmhologramme. Zwei Belichtungsköpfe 34, 36 mit Referenzstrahl 20 von hinten und Objektstrahl 22 von vorne sind immer mit Goniometern 47, 50 auf den gemeinsamen Ort S des Hologramms 26 gerichtet, während beide Schreibköpfe 34, 36 mit Hilfe eines Zeilenscans 52 in x-Richtung und mit Hilfe von Zeilensprüngen 54 in y-Richtung gemeinsam entlang der ganzen Fläche 56 des Hologramms 26 bewegt werden. Gleichzeitig wird die Ausrichtung des Referenzstrahles 20 auf den Ursprungsort des Projektors P und die Ausrichtung des Objektstrahles 22 zum Zuschauerraum kontinuierlich nachgestellt.
Die 8a und 8b zeigen den Aufbau einer zweiten Ausführungsform einer Belichtungsvorrichtung 48 für Bildschirmhologramme mit Beleuchungsköpfen oder Schreibköpfen 34, 36 in kardanischer Drehvorrichtung 58 alternativ zu der ersten Ausführungsform der 7a und 7b mit Goniometern 47, 50. Bei der zweiten Ausführungsform ist eine Korrektureinrichtung 59 zur zusätzlichen Korrektur der Höhen- und Seitenstellung des Beleuchtungskopfes des Objektstrahles 22 für die gemeinsame Belichtung im Punkt S angedeutet.
9 zeigt den Strahlengang des Referenzstrahls 20 und Objektstrahles 22 bis zum Hologramm 26 über zwei Monomode-Glasfasern 60, 62 mit einer optischen Weglängendifferenz vom Trennpunkt der Strahlen O bis zu ihrem Kreuzpunkt S im Hologramm, die kleiner als die Kohärenzlänge des Lasers 66 sein soll. Im Trennpunkt O werden die beiden Strahlen 20, 22 durch einen Strahlteiler 64 aus einem Laserstrahl 68 aus einem Laser 66 erzeugt.
Insgesamt sind in den 7 bis 9 bevorzugte Ausgestaltungen beispielhafter Belichtungsvorrichtungen 48 zur Belichtung des ganzen Hologramms 26 dargestellt. 7a zeigt eine Belichtungseinrichtung 49 für den Referenzstrahl 20 und Objektstrahl 22 als zwei um ihre zwei Achsen (x, y) jeweils in einem Goniometer 47, 50 in die Schwenkrichtungen 44, 46 schwenkbare Schreibköpfe 34, 36 beidseitig am Hologramm 26, die gemeinsam mit einer zweiachsigen Schiebevorrichtung 31 über die ganze Hologrammfläche 56, welche in der Ebene (x, y) liegt, verschiebbar sind. Hier ist angedeutet, wie beide Schreibköpfe 36, 34 sowohl um ihre beiden Achsen schwenkbar sind, als auch gemeinsam rasterförmig in den zwei Koordinatenachsen entlang der (x, y)-Ebene verschoben werden können. 7b zeigt den Aufbau der Belichtungsvorrichtung 48 von 7a in Aufsicht. Hier wird dargestellt, wie das ganze Hologramm 26 zeilenartig mit den beiden Schreibstrahlen in der (x, y)-Ebene abgefahren werden kann.
Die Steuerung des gesamten Ablaufs der Belichtung, d.h. des Scans in zwei Richtungen, die Winkelstellung der Goniometer 47, 50 der Schreibköpfe 36, 34 und die Bestrahlungsparameter des Belichtungslasers 66 geschieht über einen Mikroprozessor (µP) der mit einem entsprechenden Steuerprogramm eines Computers (PC) angesteuert wird, wie dies in 7a angedeutet ist.
Als Alternative könnten die Schreibköpfe 36, 34 anstatt mit Goniometern 50 in 7 in einer kardanischen Aufhängung – kardanische Drehvorrichtung 58 – wie in 8a und 8b dargestellt ist, gedreht werden. Hier wäre jedoch eine zusätzliche Positionskorrektor in zwei Achsen an einem der Arme, z.B. an dem Arm, der den Beleuchtungskopf – Schreibkopf 34 – des Objektstrahles 22 trägt, vorteilhaft, wie dies in der 8a – Korrektureinrichtung 59 – angedeutet wird, um eine gleichzeitige Belichtung vom gleichen Pixelvolumen im Hologramm 26 mit den beiden Strahlen 20, 22 zu erzielen.
Es versteht sich, dass es auch möglich ist, das Hologramm 26 selbst in zwei Achsen unter zwei feststehenden Schreibköpfen 32, 34, die dann weiterhin nur die notwendigen Winkelbewegungen ausführen, zu bewegen. Auch ist eine einachsige Bewegung des Hologramms, z.B. beim Abwickeln des Hologrammfilms von einer Trommel durchführbar, während die beiden Schreibköpfe 36, 34 dann noch in ihre orthogonale Richtung entlang des Hologramms 26 gescannt werden.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer bevorzugt vorgesehenen Strahlführung von einem Laser 66 bis zu den Schreibköpfen 36, 34 für den Referenzstrahl 22 und den Objektstrahl 22. Vorzugsweise wird der Laserstrahl 68 über eine monomodige flexible Glasfaser 60, 62, wie in der 9 dargestellt ist, jedem der Schreibköpfe 36, 34 zugeführt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Strahlführung und die optische Weglänge bis zum Punkt S im Hologramm 26, trotz der schnellen Winkelbewegungen der Schreibköpfe 36, 34 um die zwei orthogonale Achsen x und y und gleichzeitiger Scanbewegung entlang der Achsen, stabil bleibt. Die Verwendung von monomodigen Glasfasern 60, 62 sorgt für eine ausreichend hohe Strahlqualität für die Herstellung der erwünschten Interferenzen im Hologramm 26 unabhängig von ihrer Übertragungslänge.
Die beiden Strahlen 20, 22 Referenz- und Objektstrahl sollen vom gleichen Laser 66 stammen, der vorzugsweise nur eine longitudinale Resonatormode mit hoher Frequenzstabilität hat, damit ihre Interferenzfähigkeit jederzeit gesichert ist. Die Spaltung des Laserstrahles 68 in diese zwei Strahlen 20, 22 ist beispielsweise mit Hilfe eines Teilerprismas 70 als Strahlteiler 64 in dem Punkt O vorgesehen. Dieses Teilerprisma 70 kann entweder ein Polarisationsteilerprisma oder ein halbdurchlässiges Prisma sein. Die Strahlteilung ist auch mit einem Glasfaser-Strahlteiler (nicht dargestellt) möglich. Um Interferenzen in dem Hologramm 26 zu bilden, ist es vorteilhaft, dass die Differenz des Lichtweges von dem Punkt O bis zum Belichtungsvolumen S am Hologramm 26 über die zwei getrennten Glasfasern 60, 62 zu den beiden Köpfen 36, 34 kürzer ist als die Kohärenzlänge des Lasers 66. Bevorzugt gilt diese Bedingung auch für jede beliebige Position der Köpfe 36, 34 bei der Belichtung des ganzen Hologramms 26.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die lineare Polarisation der beiden Schreibstrahlen am Belichtungsort S zur Bildung von Interferenzen jederzeit gleich ist, was mit bekannten Maßnahmen, wie z.B. polarisationserhaltenden Glasfasern 60, 62 oder mit dem Einbau von Polarisatoren mit gleicher Orientierung in den beiden Schreibköpfen 36, 34 für den Referenzstrahl 20 und den Objektstrahl 22 leicht durchführbar ist. Um einen erwünschtem höchstmöglichen Kontrast der Interferenzen zwischen Referenzstrahl 20 und Objektstrahl 22 auszubilden, ist die gleiche Strahlintensität im Überlagerungsvolumen S beider Strahlen 20, 22 im Hologramm 26 vorteilhaft. Mit den Anordnungen der Schreibköpfe 36, 34 in den 3a, 3b und 3c und in den 4a, 4b und 4c sowie in der Strahlführung in 9 ist dafür gesorgt, dass dies immer der Fall ist. Jedoch können eventuelle Unterschiede der Intensitäten mit bekannten kontinuierlichen Strahlabschwächern in einem der Strahlengänge der Schreibköpfe 36, 34 leicht aufeinander ausgeglichen werden.
Die verwendeten Glasfasern 60, 62 sind vorzugsweise monomode Fasern mit einem typischen Kerndurchmesser im sichtbaren Bereich von 2 ω_f = 5 µm und einer numerischen Apertur NA_f = 0,11. Der ganze Abstrahlwinkel ist α_f = 12.6°. Wird für den Objektstrahl ein ganzer Abstrahlwinkel der Pixel des Hologramms von α_o = 45° d.h. mit einer numerischen Apertur der Linse von NA_o = 0,38 gewünscht, dann ergibt sich für den Fokusdurchmesser des Objektstrahles 22 von 2 ω_o = 2 ω_f NA_f/NA_o = 1,45 µm.
Als Beleuchtungslaser 66 für das Masterhologramm ist ein gepulster Laser einem Dauerstrichlaser vorzuziehen. Mit der Verwendung eines gepulsten Lasers mit sehr kurzer Pulsdauer, d.h. typischerweise im Bereich von einigen Nano- oder Picosekunden ist die Interferenzfähigkeit der beiden Schreibstrahlen trotz beliebiger Bewegung der Schreibköpfe 32, 34, der Glasfaser 60, 62 und mechanischer Instabilitäten des gesamten Aufbaus jederzeit gesichert, insbesondere wenn die optische Weglängendifferenz vom Laser 66 bis zum Hologramm 26 entlang der beiden Fasern 60, 62 kürzer ist als die Kohärenzlänge des Lasers 66. Als gepulste Laser bieten sich z.B. Qgeschaltete Laser mit einer Pulsdauer von Nanosekunden und Pulswiederholfrequenz von z.B. 50 kHz und Kohärenzlänge von einigen zehn Zentimetern oder modengekoppelte Laser an mit einer Pulsdauer im Picosekundenbereich mit einer Pulswiederholfrequenz von z.B. 100 MHz und einer typischen Kohärenzlänge von einigen Millimetern. Die einzelnen RGB Farben können durch Frequenzverdopplung bzw. Frequenzaufspaltung in optisch parametrischen Oszillatoren mit anschließender Summenfrequenz bzw. Differenzfrequenzbildung hergestellt werden. Ein solcher Weg wird z.B. in der DE 199 34 162 B4 , „Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bildschirmhologrammen, sowie Bildschirmhologramm“ bereits vorgeschlagen, wie oben erwähnt wurde. Es versteht sich, dass auch andere Laser, die die geforderten RGB-Farben mit ausreichender Leistung und Frequenzreinheit bzw. -stabilität liefern, ebenfalls verwendet werden können.
Die Belichtungsspur in dem Hologramm 26 wird vorzugsweise aus einer Vielzahl von parallelen Zeilen ähnlich wie die Spuren von Zeilen in Fernsehröhren bestehen. Damit eine möglichst lückenlose Belichtung des Hologramms 26 stattfindet, sollen benachbarte Pixel die von einzelnen Pulsen des Lasers 66 generiert werden, möglichst nahe an einander liegen. Außerdem sollen die Pixel benachbarter Zeilen auch möglichst dicht bei einander liegen Diese Überlagerung benachbarter Pixel in den Zeilen und von einer Zeile zu der nächsten wird in 10 schematisch gezeigt.
10 zeigt ein dichtes Aneinanderreihen der Hologrammpixel 72 im Bildschirmhologramm 26 entlang einer Zeile 74 und zwischen benachbarten Zeilen bei einem kreisförmigen Strahl.
Es ist angestrebt dass eine vollständige Sättigung der Belichtung in jedem einzelnen Puls in dem Hologrammmaterial erreicht wird. Dann wird die gesamte Information über die momentane Ausrichtung des Referenzstrahles 20 und des Objektstrahles 22 und der Öffnungswinkel des Objektstrahles 20 in jedem Pixel 72 für ihren Standort eindeutig im Hologramm 26 eingefroren.
Um eine möglichst lückenlose Bedeckung der ganzen Hologrammfläche mit Pixeln 72, die von ihrer Belichtung gesättigt sind, zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass nicht alleine kreisrunde Strahlen mit einer Gauß-Verteilung ihres radialen Intensitätsverlaufs zur Belichtung benutzt werden, sondern auch Strahlen, die mit Hilfe bekannter refraktiver Strahlformungselemente in den Schreibköpfen 36, 34 in Strahlen mit einer konstanten Intensität („top hat“ Intensitätsverteilung) umgewandelt werden. Mit den bekannten Strahlformungselementen können auch beliebig andere Strahlquerschnitten als ein kreisförmiger, z.B. als ein Rechteck oder anderes Polygon hergestellt und während des Scans aneinander gereiht werden, wie dies in 11 dargestellt wird.
11 zeigt ein dichtes Aneinanderreihen der Hologrammpixel 72 im Bildschirmhologramm 26 entlang einer Zeile 74 und zwischen benachbarten Zeilen 74 bei einem sechseckigen Strahl.
12 zeigt eine Reihe der getrennten Fokuspunkte 24 der dicht aneinandergereihten Hologrammpixel 72 in einer Ebene außerhalb des Hologrammmaterials. Die Achse 30 der Bildpixel 72 sind auch angedeutet.
Jede Pixelbelichtung ist ein Abbild einer Kugelwelle, die von einem Fokus 24 ausgeht, der vor bzw. hinter der Hologramm 26 liegt. Diese Foki 24 liegen in einem bestimmten Abstand von der Reihe 74 der Pixel 72 des Hologramms 26, wie in 12 angedeutet wird, und sind wegen ihrer kleineren Größe deutlich von einander getrennt. Bei der Rekonstruktion mit dem konjugierten Referenzstrahl wird diese Kugelwelle wieder exakt so hergestellt, als hätte sie ihren Ursprungsort in diesem Fokus 24, der je nach Belichtungsanordnung vor oder hinter dem Hologramm 26, wie in den Bildern 5a–5c und 6a–6c für den letzten Fall dargestellt ist. Es muss für das Verständnis der Ausbreitung der Wellen von den einzelnen Pixeln 72 und ihre Überlagerung im Raum hinter dem Bildschirm bemerkt werden, dass die Quelle jeder Pixelwelle der Ort des Fokus 24 des Objektstrahles 22 ist und dass der Überlagerungsbereich beider Strahlen 20, 22 eine Interferenzstruktur beinhaltet, die ein dreidimensionales Bild des gesamten Strahlenganges des Objektstrahles 22 von diesem Fokus 24 bis zum Zuschauer 15 im Hologramm 26 gespeichert ist. Wie oben für einen Öffnungswinkels des Objektstrahles von 45° abgeschätzt, würde dann der Durchmesser des Fokus 1,45 µm betragen und der Pixeldurchmesser dagegen 100 µm mit einem Fokusabstand vom Hologramm von 120 µm.
Bei einer typischen Anzahl von 10.000 Zeilen für ein 1 m × 1 m großes Hologramm mit einem angestrebtem Pixeldurchmesser von 0,1 mm müssten dann 10.000 Pixel entlang der Zeile 74 geschrieben werden. Mit einer Zeilen-Vorschubschubsgeschwindigkeit 5 m/sek und einer Pulsfrequenz des Lasers 66 von 50 kHz würde die Dauer der Belichtung einer Zeile 74 von 1 m Länge dann 0,2 sek betragen und mit einer Verzögerung zum Beginn der nächsten Zeilenbeschriftung von 0,8 sek die Belichtungsdauer des ganzen Hologramms 10.000 Sekunden oder 2,8 Stunden dauern. Mit einem Pixeldurchmesser von 10 µm würde sich der Fokusabstand zum Schirm auf 12 µm verkürzen, die Anzahl der Pixel 72 pro Zeile 74 und die Anzahl der Zeilen 74 sich auf 100.000 erhöhen und bei gleicher Schreibgeschwindigkeit die gesamte Belichtung 78 Stunden dauern.
Alle Parameter – die Pixelgröße, die Vorschubsgeschwindigkeit des Zeilenscans und die Zeilendichte – sollten an die Belichtungsempfindlichkeit des Hologrammmaterials, die Strahlleistung des Lasers 66 und seine Pulswiederholfrequenz angepasst werden. Geht man von einem Pulslaser mit einer Pulsfrequenz von 50 kHz und wieder von einem Pixeldurchmesser von 100 µm und einer mittleren Strahlleistung von 1 W aus, dann ist die Pulsenergie 2 × 10^–5 J. Die Belichtungsstärke pro Pixel 72 mit einer Fläche von 10^–4 cm² ist dann 2 × 10^–1 J/cm² = 200 mJ/cm².
Dieser Wert übertrifft jedoch den Sättigungswert eines Silberhalogenid Hologrammmaterials (3 mJ/cm²) um einen Faktor 67. Es könnten dann entweder die mittlere Leistung des Lasers 66 um diesen Faktor auf 15 mW reduziert werden oder die Anzahl der Belichtungen mit einem einzigen Puls mit entsprechender Strahlteilung und damit die gesamte Belichtungszeit des Hologramms herabgesetzt werden.
Es versteht sich dass diese Zahlenbeispiele, die sich auf einige typische leicht realisierbare Parameter von Scannern, Beleuchtungsoptiken, Hologrammmateralien und Lasern beziehen, nur dazu dienen, um die grundsätzliche Durchführbarkeit der Erfindung zu demonstrieren und dass diese Größen einzeln von Fall zu Fall in weiten Bereichen variiert werden können.
13 zeigt eine beispielhafte Aufteilung des Objektstrahles 22 in mehrere Belichtungsstrahlen der unterschiedlichen Ordnungen in einem Transmissionsgitterhologramm zwischen Glasfaser 62 und Belichtungsoptik des Objektstrahles 22.
Um eine bessere Verteilung der einzelnen Belichtungen über die gesamte Hologrammfläche zu erzielen, wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, nicht nur eine einzelne Belichtung in jedem Zeitpunkt durchzuführen sondern u.U. eine Reihe von Belichtungen gleichzeitig durchzuführen. Um dies zu bewerkstelligen, wird vorgeschlagen vor der Fokussieroptik des Objektstrahles 22 in den parallelen Strahlengang, wie in 13 dargestellt ist, ein Liniengitter 76 bzw. ein Kreuzgitter 78 zu integrieren, mit dem ein Aufspalten des Strahles 22 in mehrere Beugungsordnungen durchgeführt wird, wie dies in 14 gezeigt wird.
14 zeigt einige Beispiele der Belichtungsmuster des Objektstrahles 22 nach der Strahlaufteilung im Transmissionsgitter in 13.
Wird ein Liniengitter 76 verwendet, so erzeugt die Fokusieroptik zusätzlich zu der abgebildeten Linie 80 der 0-ten Ordnung im Fokus auf der Strahlachse eine Reihe von Linien 82 der höheren Ordnungen und bei einem Kreuzgitter 78 eine Anzahl von Punkten 84 als quadratisches Netz um den zentralen Punkt 86 der 0-ten Ordnung als Zentrum. Hierbei gilt die Braggsche Gitterformel Nλ = 2 g sin φ zwischen dem Winkel φ der Beugungsordnungen N = 0, 1, 2, 3 .... und g der Gitterkonstante bei der Wellenlänge des Strahles λ, wobei beim Kreuzgitter 78 die beiden Gitterkonstanten g_x und g_y in die orthogonalen Richtungen x und y eingesetzt werden müssen mit der Ausbildung von N×M Pixeln. Hier kann somit die verfügbare Laserpulsenergie auf eine Reihe N×M von Pixeln gleichzeitig verteilt werden, die dann eine N×M größere Flächenbedeckung als bei einem Pixel 72 in jedem Zeitpunkt des Scans erreicht werden kann.
Diese Strahlaufteilung betrifft erst den Objektstrahl 22. Der zugehörige Referenzstrahl 20 kann als aufgeweiteter planer Strahl alle N×M Pixel gleichzeitig umfassen oder mit einem vergleichbaren Aufteilungsverfahren in N×M Einzelstrahlen zur Überlagerung mit den korrespondierenden aufgeteilten Objektstrahlen 22 zur Überlagerung gebracht werden.
15 zeigt ein Beispiel eines Übereinanderstapels der Hologramme der drei Farben Rot (R), Grün (G) und Blau (Blau) auf einer durchsichtigen Trägerplatte T mit einer zusätzlichen Absorberschicht A.
16 zeigt ein Beispiel eines Übereinanderstapelns der Hologramme der RGB-Farben auf eine Trägerplatte T ohne Absorberschicht.
Bevorzugte Ausführungsformen sehen für Anwendungen im sichtbaren Bereich eine identische Herstellung von z.B. drei Master-Hologrammen (H1) in jeder der Grundfarben Rot, Grün und Blau vor. Diese drei oder mehr Hologramme werden dann mit dem üblichen Replikationsverfahren der Holographie durch Abbelichten in eine beliebige Anzahl von Kopien (H2) übertragen. Jedes dieser RGB H2-Hologramme, die typischerweise eine Dicke von 10–30 µm haben, können auf eine Trägerplatte T oder eine biegsame Trägerfolie aufeinander mit bekannten Verfahren laminiert werden. Sie bilden zusammen mit einer eventuellen Absorberschicht A oder ohne diese die Endprodukte der undurchsichtigen oder durchsichtigen holographischen Bildschirme, dessen Querschnittsbilder in den 15 und 16 dargestellt sind. Die 15 zeigt einen Querschnitt von Schirmen, die einen Absorber A auf der entgegengesetzten Seite der Trägerplatte T beinhalten und die 16 von Schirmen ohne die Absorberschicht A, um eine Durchsicht zu ermöglichen und die dann für die entsprechenden Anwendungen im Raum freistehen können.
Die hier beschriebenen holographischen Bildschirme gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können für Projektoren 90 entweder mit einem parallelen oder seriellen Bildaufbau verwendet werden. Die ersten sind Projektoren 90 mit bildgebenden Chips wie LCD und DMD Modulatoren wie am Anfang erwähnt wurde, deren Bilder mit Hilfe von lichtintensiven Lampen in den ausgefilterten Farben RGB oder einzelner Leuchtdioden oder Laser der einzelnen RGB Farben auf den Schirm projiziert werden, wie in 17 dargestellt wird. Die holgraphischen Bildschirme gemäß den Ausführungsbeispielen können aber genauso für Laserprojektoren 92 mit einem seriellen Bildaufbau mit Hilfe von zweiachsigen Scannern 94 verwendet werden, wie in 18 gezeigt wird.
17 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer parallelen Bildprojektion auf einem holographischen Bildschirm 96 mit Darstellung der Bildschirmstruktur innerhalb des Kreises der Bildauflösung des Betrachterauges. Das Bezugszeichen A1 bezeichnet den Bereich der Bildauflösung des Auges am Schirm. Das Bezugszeichen B1 bezeichnet Pixel des Projektors 90 auf dem Bildschirm. Das Bezugszeichen C1 bezeichnet Hologrammpixel auf dem Schirm. Das Bezugszeichen D1 bezeichnet den Fokuspunkt 24 des Hologrammpixels und auch die Quelle der Abstrahlung vom Pixel des holographischen Schirms 96.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine serielle Laser-Bildprojektion auf einem holographischen Bildschirm 96 mit Darstellung der Bildschirmstruktur innerhalb des Kreises der Bildauflösung des Betrachterauges und des Schnittpunkts des Laserstrahles 98 mit der Oberfläche des Hologramms 26. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen A2 den Bereich der Bildauflösung des Auges am Schirm. Das Bezugszeichen B2 bezeichnet den Schnittkreis des Projektorstrahles mit dem Bildschirm. Das Bezugszeichen C2 bezeichnet Hologrammpixel auf dem Schirm. Das Bezugszeichen D2 bezeichnet den Fokuspunkt 24 des Hologrammpixels, auch die Quelle der Abstrahlung vom Pixel des holographischen Schirms 96.
Es versteht sich, dass die RGB Wellenlängen der Projektoren 90, 92 zur optimalen Bildwiedergabe mit der Wellenlänge der in dem holographischen Bildschirm 96 integrierten RGB Hologramme übereinstimmen sollen.
Es soll nun die Wiedergabe einer in ihrer Bestrahlungsstärke homogenen Projektion einer Grundfarbe einer Lichtquelle auf den holographischen Bildschirm 96 betrachtet werden. Vor allem interessiert hier die vom Auge eines Betrachters 15 des Schirmes 96 wahrgenommene Modulation der Intensitätsverteilung, die als subjektive Speckles bezeichnet wird. Für die parallele Projektion kommen als Lichtquellen z.B. schmalbandige Lampen und LEDs mit einer Bandbreite von etwa 20 nm und extrem schmalbandige Lasern bei einer Bandbreite von 0,01 nm in Frage. Für die serielle Projektion dagegen eignen sich extrem schmalbandige Laser mit einer Dauerstrich- oder gepulster Emission am besten.
Bei der parallelen Projektion, wie sie in 17 dargestellt ist, umfasst der Bereich der Auflösung des Auges am Schirm, der als der Kreis A1 bezeichnet wird, die einzelnen Bildpixel B1, die einzelnen Hologrammpixel C1 und einzelne Laserquellen oder Foki der Hologrammpixel D1. Dies bedeutet, dass das Auge bei jedem Einzelbild der Projektion zeitgleich die Lichtwellen eines zweidimensionalen Gitters von Gitterpunkten D1 innerhalb des Kreises A1 sieht. Dieses zweidimensionale Gitter erzeugt die klassischen Gitterinterferenzen auf der Netzhaut des Betrachters. Als erstes entsteht beim Einfall einer planen Lichtwelle des Projektors auf jedem der Gitterpunkte Beugung an einer kreisförmigen Öffnung mit einem Halbwinkel φ₁ der ersten Nullstelle mit dem Durchmesser bei der Wellenlänge λ mit sin φ₁ = 1,22 λ/2ω₀. Bei λ = 0,5 × 10^–6 m und 2ω₀ = 1,45 µm wie im obigen Zahlenbeispiel ist φ₁ = 22,5° d.h. gleich dem vorher definierten halben Abstrahlwinkel des Pixels 2φ₁ = α_o = 45°. Die zweite Nullstelle liegt dann bei φ₂ = 50° und kann vernachlässigt werden, d.h. es handelt sich im Wesentlichen um die Beugung 0-ter Ordnung.
Da die gebeugten Wellen aus mehreren benachbarten Gitterpunkten sich überlagern, entsteht eine zweite überlagerte Intensitätsmodulation mit einer kürzeren Periode mit den Nullstellen ψ = λ/2g, wobei g die Gitterkonstante, d.h. den Pixelabstand im Hologramm, und ψ den Beugungswinkel bezeichnen. Für g = 100 µm, erhält man z.B. ψ = 0,25 × 10^–2 rad ^ 0,14° als Periodenabstand der Intensitätsvariationen, der dem 10-fachen Wert der kleinsten Auflösung des Auges entspricht. Dieses Muster wiederholt sich dann mit der Bildfrequenz des Projektors z.B. von 50 Hz.
Dieses Intensitätsmuster kann aber ausgemittelt werden, wenn es mindestens mit der gleichen Frequenz wie der Bildfrequenz verändert wird, z.B. wenn es während einer Beleuchtungsperiode des Projektors 90 um den Faktor M über der Auflösungsgrenze des Auges entlang zweier oder in zwei orthogonalen Richtungen, z.B. in (x, y) in der Bildschirmebene, bewegt wird. Geeignete Ausmittelungsverfahren werden z.B. in der EP 1260850 B1 „Verfahren und Vorrichtungen zur Beseitigung von stationären Bildstörungen bei Bildprojektionen mit zeitlich oder räumlich kohärentem Licht, sowie System zur Bildprojektion“ beschrieben. Wenn der Modulationsgrad dieser Intensitätsvariation I als Kontrast C = (I_max – I_min)/(I_max + I_min) zwischen einem minimalen und maximalen Wert bezeichnet, kann dieser um die Wurzel der Anzahl M der Auflösungselemente die durch die Bewegung erniedrigt werden mit C´ = C/√M.
Jeder Lichtstrahl des Projektors 90 der auf das Hologramm 26 fällt, wird durch die fokussierende Wirkung der einzelnen Pixel 72 in seiner Ausbreitung stark beeinflusst, bevor er ins Auge des Betrachters gelangt. Dadurch ist nur eine sehr geringe induzierte Variation der Ausbreitung der Wellen des Projektors 90 notwendig, um eine hinreichende Ausmittelung der Interferenzen im Auge des Betrachters zu erzielen, wie in 19 schematisch dargestellt wird.
19 zeigt eine schematische Darstellung der Umsetzung der Variation Δs einer lateralen Verschiebung eines einfallenden Strahles vom Projektor 90 auf ein Bildschirmpixel in eine Winkeländerung Δφ bzw. eine transversale Wegänderung ΔS hinter dem Bildschirmhologramm im Zuschauerraum. Die fokussierende Wirkung eines Bildschirmpixels 72 ist mit einer gestrichelten Linse angedeutet.
Eine laterale Variation des einfallenden Strahles am Schirm von Δs = 1 µm bewirkt z.B. mit der Brennweite eines Hologrammpixels von f = 120 µm eine Winkeländerung von φ = Δs/f = 1/120 = 0,8 × 10^–2 rad = 0,5°. Dies ist achtmal größer als der Gesichtswinkel der Pupille von 3 mm Durchmesser der im Abstand von 3 m von dem Bildschirm der φ = 1/1000 = 10^–3 rad beträgt. Eine 50-fache Bewegung des Intensitätsmusters über dieser Grenzauflösung würde damit eine primäre Bewegung des Projektionsstrahles um 50 µm erfordern. Wenn diese Bewegung sowohl in x als auch in y-Achse durchgeführt wird, wäre die erreichte Verminderung des Kontrastfaktors C´/C = 1/√ 50² = 1/50. Diese Bewegung am Projektionsstrahl erfordert aber eine sehr geringe Bewegung des Strahlenganges im Projektor, da der Bildvergrößerungsfaktor der Projektoroptik typischerweise 1:100 d.h. zwischen in der Bildgröße Bildvorlage auf der Bildgröße am Schirm beträgt. Somit wäre eine laterale Bewegung des Strahlenganges im Projektor selbst von nur 0,5 µm erforderlich um diese Ausmittelung zu erzielen, was technisch leicht realisierbar ist.
Bei einer seriellen Projektion, die in 18 dargestellt ist, umfasst der Bereich der Augenauflösung A2 den Laserscanfleck B2. Dieser beleuchtet in jedem Augenblick gleichzeitig die Hologrammpixel C2 mit ihren zugehörigen Foki D2. Hier bewegt sich aber B2 innerhalb von A2 sehr schnell, wobei dann eine erste Ausmittelung des Musters über die Anzahl der Pixelhologramme innerhalb des Auflösungsbereiches, die durch das Verhältnis des Projektorstrahldurchmesser und des Durchmesser des Auflösungsbereiches bestimmt ist, stattfindet. Eine weitere Ausmittelung wird über die Zeilenfrequenz durch die teilweise Überlagerung der benachbarten Zeilen erzielt, die z.B. 50 kHz bei einer Bildwiederholfrequenz von 50 Hz beträgt.
Anders als bei der parallelen Bildprojektion, wo die Ausmittelung der Laser-Speckles eine zusätzliche Bewegung im Strahlengang des Projektors 90 notwendig macht, ist bei der seriellen Projektion eine zusätzliche Ausmittelung meistens nicht erforderlich, da des Projektionsstrahl 98 selbst in ständiger Bewegung ist, sowohl entlang einer einzelnen Zeile 74, wie in 18 angedeutet wird, als auch nacheinander von Zeile zu Zeile. Damit liegt eine Reihe von Pixeln innerhalb des Auflösungsbereichs des Auges, deren Specklemodulation des Intensitätsverlaufs ohne zusätzliche Bewegung im Projektorstrahlengang im Auge zeitlich ausgemittelt wird. Die Effizienz dieser Ausmittelung hängt aber vom Verhältnis des Querschnitts des Scanstrahles am Bildschirm zum Querschnitt des Auflösungsbereichs des Auges und des Querschnitts der holographischen Bildschirmpixel ab, sowie von dem Grad der Überlagerung der benachbarten Zeilen. Hier spielt für die Ausmittelung auch eine Rolle, ob der Projektionslaser 100 ein Dauerstrichlaser oder als gepulster Laser ist, da bei gepulsten Lasern diskrete Bildpixel des Lasers und bei Dauerstrichlasern kontinuierliche Spur von Bildpixeln entstehen.
Die Specklebildung des hier vorgeschlagenen Bildschirms 96 ist nach den vorherigen Erläuterungen gegenüber den Speckles eines herkömmlichen Bildschirms oder seines direkten holographischen Abbildes deutlich verändert, d.h. durch seine Gitterstruktur auf nur eine bestimmte Ortsfrequenz beschränkt. Dieses periodische Beugungsmustern kann bei einer parallelen Bildprojektion wegen der fokussierenden Wirkung der Bildpixeln durch sehr geringe zweidimensionalen Fluktuationen im Strahlengang des Projektors 90 sehr effizient ausgemittelt werden. Dabei sind die erforderlichen Variationen im Strahlengang des Projektors 90 bis zum Schirm so gering, dass sie keinen Einfluss auf die Bildauflösung am Schirm haben können. Bei einer seriellen Bildprojektion sorgt die Bewegung des Projektionsstrahles 98 innerhalb des Auflösungsbereiches des Auges selbst, bei einer entsprechenden Auslegung des Querschnitts der Bildpixels und des Projektionsstrahles, für eine ausreichende Speckleunterdrückung ohne dass weitere Maßnahmen am Projektor erforderlich wären.
Das hier beschriebene Verfahren sowie die hier beschriebene Vorrichtung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass primär keine Bildstruktur in ein Hologramm eingeprägt wird, sondern dass eine variierende optische Funktion, d.h. ein holographisches optisches Element, eingeprägt wird, die einfallendes Licht je nach Einfallswinkel und Farbe anders verarbeitet und wo jeder einfallende Strahl von einem Projektor in andere Richtung umgeleitet wird. Das Hologramm trägt somit keine Bildstruktur und ändert beim einfallenden Licht auf das Hologramm lediglich dessen Abstrahlrichtung und Aufweitung.
Hierzu wird keine Intenstitätsmodulation oder Bildmodulation auf den Objektstrahl aufgeprägt, sondern nur der Einfallswinkel des Objektstrahles 22 von Pixel 72 zu Pixel 72 geändert.
Bevorzugt wird das Licht grundsätzlich über wenigstens zwei Glasfasern 60, 62 zu jedem Pixel 72 als Referenzstrahl 20 oder Objektstrahl 22 geführt. Dies ermöglicht die freie Beweglichkeit beider Schreibköpfe 36, 34 über die verschiedene Orte (x, y) mit z.B. einer Scanbewegung und gleichzeitig einer ständig variierende Winkeleinstellung der Schreibköpfe 36, 34, z.B. in einem Goniometer 47, 50.
Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft des mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Schirms 96 ist seine grundsätzliche Speckle-Armut bei Laserbeleuchtung und die einmalige Möglichkeit, die periodischen Rest-Speckles wegen der fokussierenden Funktion jedes einzelnen Pixels 72 sehr effizient mit einigen konventionellen Speckle-Unterdrückungsverfahren vollständig zu beseitigen.
Bezugszeichenliste

10: Projektorlicht
12: Leinwand
14: holographische Leinwand
15: Zuschauer
20: Referenzstrahl (erster Strahl)
22: Objektstrahl (zweiter Strahl)
24: Fokuspunkt
26: Hologramm
27: Hohlspiegelfunktion
28: Achse (Referenzstrahl)
30: Achse (Objektstrahl)
31: Linsensystem (Referenzstrahl)
32: Linsensystem (Objektstrahl)
34: Schreibkopf (Objektstrahl)
36: Schreibkopf (Referenzstrahl)
38: Strahl (zur Rekonstruktion des Hologramms)
40: Projektionsstrahl
42: Strahlenbündel
44: Schwenkrichtung
46: Schwenkrichtung
47: Goniometer (Referenzstrahl)
48: Belichtungsvorrichtung
49: Belichtungseinrichtung
50: Goniometer (Referenzstrahl)
51: Schiebevorrichtung
52: Zeilenscan
54: Zeilensprünge
56: Fläche des Hologramms
58: kardanische Drehvorrichtung
59: Korrektureinrichtung
60: Glasfaser (Referenzstrahl)
62: Glasfaser (Objektstrahl)
64: Strahlteiler
66: Laser
68: Laserstrahl
70: Teilerprisma
72: Pixel
74: Zeile
76: Liniengitter
78: Kreuzgitter
80: Linie 0. Ordnung
82: Linien höherer Ordnung
84: Punkte
86: zentraler Punkt 0. Ordnung
90: Projektor für parallelen Bildaufbau
92: Projektor für seriellen Bildaufbau
94: Scanner
96: holographischer Bildschirm
98: Laserstrahl (Projektor)
100: Laser (Projektor)
A: Absorberschicht
A1: Bereich der Bildauflösung des Auges am Schirm
B1: Pixel des Projektors auf dem Bildschirm
C1: Hologrammpixel auf dem Schirm
D1: Fokuspunkt des Hologrammpixels
A2: Bereich der Bildauflösung des Auges am Schirm
B2: Pixel des Projektors auf dem Bildschirm
C2: Hologrammpixel auf dem Schirm
D2: Fokuspunkt des Hologrammpixels
µP: Mikroprozessor
PC: Computer
O: Trennpunkt der Strahlen
P: Ursprung
S: Kreuzungspunkt
T: Trägerplatte
R: Rot
G: Grün
B: Blau

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19700162 B4 [0014, 0015, 0019, 0023, 0026, 0085]
DE 19934162 B4 [0020, 0021, 0021, 0022, 0023, 0026, 0085, 0105, 0122]
EP 1260850 B1 [0149]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Freese et al. in dem Artikel: „Design of binary subwavelength multiphase level computer generated holograms“ in Optics Letters, Vol. 35, Seite 676–678 (2010) [0028]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen für Aufprojektion mit einer Bedeckung des Bildschirms (14, 96) durch einzelne holographische Bildpixel (72), wobei die Bildschirmpixel (72) durch Überlagerung von wenigstens eines ersten Beleuchtungsstrahles (20) und eines zweiten Beleuchtungsstrahles (22) und unterschiedliche Winkelausrichtungen wenigstens eines der Beleuchtungsstrahlen (22) mit unterschiedlichen Austrahlrichtungen vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildschirmpixel (72), vorzugsweise durch optische Linsenanordnungen (30, 31), von beiden Seiten eines Hologrammfilms beleuchtet werden, wobei der Hologrammfilm von der einen Seite mit dem ersten Beleuchtungsstrahl (20) und von der anderen Seite mit dem zweiten Beleuchtungsstrahl (22) beleuchtet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildschirmpixel (72) jedes Mal in ein gleiches Pixelvolumen eines Hologrammfilmes mit Hilfe einer Schwenkeinrichtung (47, 50, 58) und einer Schiebevorrichtung (51) und einer gemeinsamen Scanbewegung der beiden Strahlen (20, 22) über die Fläche (56) des Bildschirmhologramms beleuchtet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildschirmpixel (72) zeitlich hintereinander durch eine gemeinsame laterale und vertikale rasterförmige Scanbewegung des ersten und des zweiten Beleuchtungsstrahles (20, 22) relativ zu einem Hologrammfilm hergestellt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Beleuchtungsstrahl ein Referenzstrahl (20) ist, der, vorzugsweise als ebene Welle, mit einer Achsausrichtung stets zu einem festen Punkt (P) im Raum ausgerichtet ist und/oder dass der zweite Beleuchtungsstrahl ein Objektstrahl (22) ist, der, vorzugsweise mit einem Teil einer sphärischen Welle, in einem Hologrammfilm ein gemeinsames Schnittvolumen (S) mit dem Referenzstrahl (20) hat, und dessen Achse (30) und/oder dessen Öffnungswinkel zum Herstellen der unterschiedlichen Pixel (72) unterschiedlich eingestellt werden, um die unterschiedlichen Abstrahlwinkel pro Pixel (72) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (30) des Objektstrahls (22) mit einer Schwenk- (50, 58) und/oder Schiebevorrichtung (51) auf das gemeinsame Schnittvolumen (S) gerichtet wird und/oder dass die Strahlachse (30) und der Öffnungswinkel des Objektstrahls (22) eingestellt werden, um einen gewünschten Winkelbereich eines Zuschauerraumes des Bildschirmhologramms auszuleuchten.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Beleuchtungsstrahl (20, 22) durch einen gemeinsamen Laser (66) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Beleuchtungsstrahl (20, 22) zu ihren zugeordneten relativ zu einem Holgrammfilm beweglichen Linsenanordnungen (31, 32) durch optische Fasern, vorzugsweise durch monomodige Glasfasern (60, 62), geleitet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Beleuchtungsstrahl (22) wahlweise direkt zur Belichtung eines einzelnen Bildpixels (72) verwendet wird oder in mehrere Moden aufgespaltet wird, um mehrere Bildpixel (72) gleichzeitig zu beleuchten.
Vorrichtung (48) zur Herstellung von Bildschirmhologrammen für eine Aufprojektion durch Ausbildung der Bildschirmhologramme aus einzelnen holographischen Bildpixeln (72), mit: einer Lichtquelle (66) für eine holographische Aufnahme einer Interferenz eines ersten Beleuchtungsstrahls (20) und eines zweiten Beleuchtungsstrahls (22), einer Scanvorrichtung (51, 52, 54) zum Führen des ersten Beleuchtungsstrahls (20) und des zweiten Beleuchtungsstrahls (22) beweglich relativ zu einem Hologrammfilm, wobei die Scanvorrichtung (51, 52, 54) derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die Achse (28) des ersten Beleuchtungsstrahls (20) relativ zu dem Hologrammfilm bei jeder Pixelbelichtung auf einen festen Punkt (P) im Raum ausgerichtet ist und dass die Achse (30) und/oder ein Öffnungsswinkel eines fokussierenden zweiten Beleuchtungsstrahls (22) relativ zu dem Hologrammfilm variabel in einen Winkelbereich eines Zuschauerraums gerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwenkeinrichtung (50, 58) zur unterschiedlichen Einstellung der Winkelausrichtung des zweiten Beleuchtungsstrahles (22) pro Pixel vorgesehen ist,
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle einen gepulsten Laser (66) aufweist, dessen Pulslänge zur Belichtung einzelner holographischer Bildpixel (72) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlleiteinrichtung (60, 62) zum Leiten des ersten Beleuchtungsstrahls (20) und des zweiten Beleuchtungsstrahls (22) vorgesehen und derart ausgebildet ist, dass die Lichtwegdifferenz des ersten (20) und des zweiten Beleuchtungsstrahls (22) von einem gemeinsamen Laser (66) als Lichtquelle bis zu dem Holgrammfilm über den gesamten Scanbereich hinweg kürzer als die Kohärenzlänge des Lasers (66) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufspaltungseinrichtung, vorzugsweise mit einem Transmissionsgitter (76, 78), zur Aufspaltung des zweiten Beleuchtungsstrahls (20) in eine Mehrzahl von mehreren Moden zur gleichzeitigen Belichtung mehrerer Pixel (72) vorgesehen ist.
Verwendung eines Bildschirmhologramms, herstellbar mit einem Verfahren und/oder einer Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, zur Aufprojektion, wobei bei einer parallelen Bildprojektion der Strahlengang eines Projektors (90) vom Auge des Zuschauers (15) nicht wahrnehmbar bewegt wird, um ein Specklemuster der Bildschirmpixel (72) im Raum auszumitteln, oder bei einer seriellen Bildprojektion der Durchmesser der Bildschirmpixel und des Projektionsstrahls (98) gegenüber dem Durchmesser eines durch das Auge eines Zuschauers am Bildschirm noch auflösbaren Auflösungselements so gewählt wird, dass eine Ausmittelung eines Specklemusters durch die Bewegung des Projektionsstrahles (98) zur seriellen Bildprojektion erfolgt.