EP1301815A1 - Holografisches display - Google Patents

Holografisches display

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Publication number
EP1301815A1
EP1301815A1 EP01949453A EP01949453A EP1301815A1 EP 1301815 A1 EP1301815 A1 EP 1301815A1 EP 01949453 A EP01949453 A EP 01949453A EP 01949453 A EP01949453 A EP 01949453A EP 1301815 A1 EP1301815 A1 EP 1301815A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
holographic
holographic display
display
hologram
screens
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01949453A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich A. Eberl
Hans-Georg Leis
Bernhard Straub
Holger Wenkei
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EBERL, HEINRICH A.
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1301815A1 publication Critical patent/EP1301815A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/32Holograms used as optical elements

Definitions

  • the invention relates to a holographic display according to the generic features of claim 1.
  • a generic holographic display is disclosed in DE 3735983 C2, whereby for recording a hologram image with which a hologram image can be obtained behind the hologram plate, the surface of a hologram plate with a reference laser light of a spherical wave and the back of the hologram plate with an object laser light that is transmitted through a diffuser is scattered and shines through an object, is illuminated, the light beams are superimposed on the hologram photographic drying plate so that interference fringes are recorded which extend in the direction of the thickness of the hologram emulsion layer.
  • the hologram plate is illuminated with the light from an optical source in the same direction as the reference light that was used to record the hologram. Only the light with a wavelength that meets Bragg's condition is reflected, so that a virtual image of the object is created behind the holoplate.
  • a storage medium for holographic recordings which is exposed with an object and reference beam, is used to generate volume holograms. Interference between the object and reference beam within the hologram volume creates a sequence of Bragben planes.
  • the ability of the Volu enholograms to save several images at the same time enables the production of colored holograms.
  • Lasers are required for the recording of the holograms, the three as precisely as possible Send out the primary colors blue, green and red.
  • the three beams simultaneously expose the recording medium at the same angles.
  • three holograms are simultaneously stored in the volume hologram.
  • the characteristic feature of volume holograms that is used to reproduce the color hologram is that each partial hologram can be reconstructed solely by the color with which it was recorded. The reproduction is therefore best done with the lasers already used in the recording.
  • the three reconstructed color separations overlap to form a colored, true-to-original image if the color components are correctly weighted.
  • the object of the invention is to provide a holographic display for generating virtual images, which can have a large screen area without the image quality deteriorating, and the screen area can have any surface.
  • the display can have a large screen area without the image quality suffering.
  • the virtual image plane is adjustable so that the visual image distance is variable.
  • Stereo display without glasses is possible.
  • the holographic display has a full color display with high contrast performance even in daylight, whereby this is independent of the shape and geometry of the virtual screen.
  • the display is insensitive to extraneous light, so that there is a high contrast even in daylight.
  • the holographic display is flexible and can be used in a wide variety of installation spaces. In addition, several image representations in different viewing directions are obtained simultaneously.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a conventional holographic display and a holographic display according to the present invention
  • FIG. 2 shows an experimental arrangement for recording a color hologram, as well as a schematic representation of a section of the standing waves in the holography plate;
  • the holographic display 3 has a screen 1 forming the master hologram, which is illuminated from behind by a video projector 2 in a rear projection. So that the viewer 4 can view the hologram, the video projector 2 must be arranged like the reference projector to record the hologram.
  • the lower picture shows a schematic representation of a holographic display 3 according to the present invention.
  • the holographic display 3 is composed of several holographic screens la, lb ... which are each assigned to their own projection device 2a, 2b, ...
  • the projection devices can be designed as an array of light sources that can be modulated in a punctiform manner.
  • Various projection light sources can be used as projection devices, such as LCD, LEP, OLED, CRT.
  • the holographic screens la, lb ... of the holographic display 3 have an array of holographically optical elements which collect the light from the projection devices 2a, 2b ... and each pixel via the associated element of the array of holographically optical elements into the corresponding one virtual image is mapped.
  • the virtual images are free from the position of the individual holograms and thus from the holographic display, but are defined when the master hologram is recorded. This master hologram can be copied for mass production.
  • the virtual images are therefore free of the screen position and can be defined so that they are in the optimal viewing area and at a suitable distance from the viewing direction.
  • Different image planes can be stored in the hologram, which can be called up by suitable techniques, for example by different projection directions.
  • a type of polarizer is also conceivable for this purpose, which makes the different image planes representable by selecting the polarization directions.
  • the individual holographic optical elements of the array consist of three holograms, which are sensitive in red, green or blue.
  • the holographic display consists of red-green-blue holograms, the recording technology of which is in Fig. 2 is described. The direction of projection, the viewing angle and the virtual viewing distance are set during production.
  • the virtual image of the white miniature screens consisting of red, green and blue pixel elements is located at predefined distances.
  • 3 shows the storage of the red, green, blue (RGB) holograms in a hologram volume 10 in the right image or in separate hologram volume 10 with a significantly reduced hologram area in the left image.
  • the material for the display is, for example, a flexible, transparent, high-resolution, light-sensitive film made of photopolymer with a layer thickness of approx. 20 ⁇ .
  • FIG. 1 An experimental arrangement for recording a color hologram is shown in FIG.
  • Lasers 5,6, which emit the three primary colors blue, green and red, are required as light sources for the recording of the holograms.
  • the light from the argon ion laser emits green and blue light and the light from the helium-neon laser emits red light.
  • the argon ion laser 5 emits green and blue light, which is mixed on the partially transparent mirror 7 with the red light of the helium-neon laser 6.
  • the splitter mirror 8 splits the incident rays into the object beam 10 for illuminating the object and the reference beam 9.
  • the reference beam 9 strikes the hologram plate 1 from the front, while the object beam 10 strikes the hologram plate 1 from behind after diffuse reflection on the object.
  • Object beam 10 and reference beam 9 interfere in the volume of the hologram plate 1; the hagram volume is achieved by interference of the Bragg planes created by the object and reference beam.
  • the characteristic feature of volume holograms that is used to reproduce the color hologram is that each partial hologram can be reconstructed solely by the color with which it was recorded. The reproduction is therefore best with the light sources 5,6 already used in the recording.
  • the three recon- structured color separations overlap to create a colored, faithful image.
  • the holographic display can be used as a virtual 3D instrument cluster in the vehicle, as a dual-distance display for office and entertainment applications, as a TV or as a monitor on the computer, but also for use as a small screen for IT applications such as cell phones.
  • 3D CAD and 3D computer games are conceivable for software applications.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)
  • Overhead Projectors And Projection Screens (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein holografisches Diplay (3) zur Speicherung und Wiedergabe einer räumlichen Struktur, mit einem das Masterhologramm bildenden holografischen Schirm (1) und mit einer Projektionseinrichtung (2), die zur Wiedergabe der räumlichen Struktur den holografischen Schirm beleuchtet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das holografischen Display aus mehreren holografischen Schirmen (1a, 1b) aufgebaut ist, die jeweils einer eigenen Projektionseinrichtung (2a, 2b) zugeordnet sind.

Description

Holografisches Display
Die Erfindung betrifft ein holografisches Display gemäß den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes holografisches Display wird in der DE 3735983 C2 offenbart, wobei zur Aufzeichnung eines Hologrammbildes, mit dem man ein Hologrammbild hinter der Hologrammplatte erhalten kann, die Oberfläche einer Hologrammplatte mit einem Bezugslaserlicht einer sphärischen Welle und die Rückseite der Hologrammplatte mit einem Gegenstandslaserlicht, das durch einen Diffusor gestreut ist und durch einen Gegenstand strahlt, erleuchtet wird, findet eine Überlagerung der Lichtbündel auf der Hologramm-fotografischen Trockenplatte statt, so daß Interferenzstreifen aufgezeichnet werden, die sich in Richtung der Dicke der Hologrammemulsionsschicht erstrecken. Zur Wiedergabe des so aufgezeichneten Hologrammbildes wird die Hologrammplatte mit dem Licht einer optischen Quelle in der gleichen Richtung wie das Bezugslicht, das zur Aufzeichnung des Hologramms verwendet wurde, beleuchtet. Nur das Licht mit einer Wellenlänge, die der Braggschen Bedingung genügt, wird reflektiert, so daß ein virtuelles Bild des Gegenstandes hinter der Holoplatte entsteht.
Zur Erzeugung von Volumenhologrammen wird ein Speichermedium für holografische Aufzeichnungen verwendet, das mit einem Objekt- und Referenzstrahl belichtet wird. Durch Interferenz von Objekt- und Referenzstrahl innerhalb des Hologrammvolumens entsteht eine Folge von Braggebenen. Die Fähigkeit der Volu enho- logramme, mehrere Bilder gleichzeitig zu speichern ermöglicht die Herstellung farbiger Hologramme. Für die Aufnahme der Hologramme sind Laser erforderlich, die möglichst genau die drei Grundfarben blau, grün und rot aussenden. Die drei Strahlenbündel belichten gleichzeitig unter gleichen Winkeln das Aufzeichnungsmedium. Im Volumenhologramm sind nach der Belichtung gleichzeitig drei Hologramme gespeichert. Zur Reproduktion des Farbhologramms dient die für Volumenhologramme charakteristische Besonderheit, daß jedes Teilhologramm allein durch die Farbe zu rekostruieren ist, mit der es aufgenommen wurde. Die Widergabe erfolgt demnach am besten mit den bereits bei der Aufnahme verwendeten Lasern. Die drei rekonstruierten Farbauszüge überlagern sich zum farbigen, originalgetreuen Bild, falls die Farbanteile richtig gewichtet sind.
Bei dieser Art eines holografischen Displays ist von Nachteil, daß die Anforderungen an die Aufnahmetechnik und die Projektionseinrichtung mit der Schirmfläche wächst. Bei der AufProjektion führt die jederzeit mögliche Verschmutzung des Schirms zur Beeinträchtigung der Beobachtung. Insbesondere bei der Wiedergabe darf sich der Projektor relativ zum Schirm nicht bewegen. Deshalb muß eine stabile, schwingungsisolierte Aufhängung garantiert sein. Außerdem kann der Strahlengang durch Personen und Gegenstände unterbrochen werden. Der Aufbau benötigt trotz Faltung des Strahlenganges erhebliche Einbautiefe.
Die Aufgabe der Erfindung ist ein holografisches Display zur Erzeugung von virtuellen Bildern bereitzustellen, das eine große Schirmfläche haben kann, ohne daß die Bildqualität schlechter wird, wobei die Schirmfläche eine beliebige Oberfläche haben kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind durch die Merkmale der ünteransprüche gekennzeichnet .
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, daß das Display eine große Schirmfläche haben kann, ohne daß die Bildqualität darunter leidet. Die virtuelle Bildebene ist einstellbar, so daß die visuelle Bildentfernung variabel ist. Es ist eine Stereodarstellung ohne Brille möglich. Weiterhin weist das holografische Diplay eine vollfarbige Darstellung mit hoher Kontrastleistung auch bei Tageslicht auf, wobei dies unabhängig von Form und Geometrie des virtuellen Schirmes ist. Das Display ist unempfindlich gegen Fremdlicht, so daß auch bei Tageslicht ein hoher Kontrast gegeben ist. Das holografische Display ist flexibel und findet in verschiedenstartigen Bauräumen Platz. Außerdem werden gleichzeitig mehrere Bilddarstellungen in unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen erhalten.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einer Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines konventionellen holografischen Displays und eines holografischen Displays nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 experimentelle Anordnung zur Aufnahme eines Farbhologramms, sowie eine schematische Darstellung eines Auschnitts der stehenden Wellen in der Holografieplat- te;
Fig. 3 Speicherung der RGB-Hologramme in einem Hologrammvolumen und in getrennten Hologrammvolumen.
Fig. 1 zeigt oben eine schematische Darstellung eines konventionellen holografischen Displays 3. Das holografische Display 3 weist einen das Masterhologramm bildenden Schirm 1 auf, der von einem Videoprojektor 2 in einer Rückprojektion von hinten beleuchtet wird. Damit der Betrachter 4 das Hologramm betrachten kann, muß der Videoprojektor 2 wie der Referenzpro ektor zur Aufnahme des Hologramms angeordnet sein. Das untere Bild zeigt eine schematische Darstellung eines holografischen Displays 3 nach der vorliegenden Erfindung. Das holografische Display 3 ist aus mehreren holografischen Schirmen la,lb... aufgebaut, die jeweils einer eigenen Projektionseinrichtung 2a, 2b,... zugeordnet sind. Um das Display 3 für eine flexible Anwendung klein zu halten, können die Projektionseinrichtungen als ein Array von punktförmig modulierbaren Lichtquellen ausgebildet sein. Es können als Projektionseinrichtungen verschiedene Projektionslichtquellen verwendet werden, wie beispielsweise LCD,LEP,OLED, CRT. Die holografischen Schirme la,lb... des holografischen Displays 3 weisen ein Array von holografisch optischen Elementen auf, die das Licht der Projektionseinrichtungen 2a, 2b... sammeln und jeder Pixel über das zugeordnete Element des Arrays von holografisch optischen Elementen in das entsprechende virtuelle Bild abgebildet wird. Die virtuellen Bilder sind frei von der Lage der einzelnen Hologramme und damit von dem holografischen Display, sondern werden bei der Aufnahme des Masterhologramms festgelegt. Dieses Masterhologramm kann kopiert werden für die Massenproduktion. Die virtuellen Bilder sind also frei von der Schirmlage und können so definiert werden, daß sie im optimalen Sichtbereich und im geeigneten Abstand zur Blickrichtung liegen. In dem Hologramm können verschiedene Bildebenen (mindestens zwei) gespeichert werden, die durch geeignete Techniken beispielsweise durch unterschiedliche Projektionsrichtungen abgerufen werden können. Hierzu ist auch eine Art Polarisator denkbar, der über eine Selektion der Polarisationsrichtungen die unterschiedlichen Bildebenen darstellbar macht. Durch die Kombination eines flexiblen Displays auf Plastiksubstraten und holografischen Schichten als optischen E- lementen ist es möglich, flache und gekrümmte Displays mit virtuellen Bildern zu erzielen. Bei dieser Sandwichtechnik werden die Vorteile der Flachbildschirme und die der Projektionsdisplays ausgenutzt. So erhält man flache Displays mit sehr geringem Bauraum, die flexibel an gekrümmte Oberflächen anpaßbar sind. Außerdem kann vorbestimmt werden, daß die virtuellen Bilder in geeignetem Abstand und senkrecht zur Blickrichtung sichtbar sind. Die einzelnen holografisch optischen Elemente des Arrays bestehen aus drei Hologrammen, die im roten oder grünen oder blauen empfindlich sind. Das holografische Display besteht aus Rot-Grün-Blau-Hologrammen, deren Aufnahmetechnik in Fig. 2 beschrieben ist. Bei der Herstellung werden Projektionsrichtung, der Betrachtungswinkel und der virtuelle Betrachtungsabstand eingestellt. Das virtuelle Bild der weißen Miniaturbildschirme bestehend aus Rot, Grün und Blauen Pixelelementen befindet sich in vordefinierten Entfernungen. In Fig. 3 ist die Speicherung der Rot, Grün, Blau (RGB) -Hologramme in einem Hologrammvolumen 10 im rechten Bild oder in getrennten Hologrammvolumen 10 mit deutlich reduzierter Hologrammfläche im linken Bild gezeigt. Das Material für das Display ist beispielsweise ein flexibler, transparenter hochauflösender, lichtempfindlicher Film aus Fotopolymer mit einer Schichtdicke von ca. 20μ.
In Fig. 2 ist eine experimentelle Anordnung zur Aufnahme eines Farbhologramms gezeigt. Die Fähigkeit der Volumenhologramme, mehrere Bilder gleichzeitig zu speichern, ermöglicht die Herstellung farbiger Hologramme. Für die Aufnahme der Hologramme sind als Lichtquellen Laser 5,6 erforderlich, welche die drei Grundfarben blau, grün, rot aussenden. Das Licht des Argon- Ionenlasers sendet grünes und blaues Licht aus und das Licht des Helium-Neon-Lasers sendet rotes Licht aus. Der Argon- Ionenlaser 5 sendet grünes und blaues Licht aus, das am teildurchlässigen Spiegel 7 mit dem roten Licht des Helium-Neon- Lasers 6 gemischt wird. Der Teilerspiegel 8 spaltet die einfallenden Strahlen jeweils auf in den Objektstrahl 10 zur Beleuchtung des Objektes und den Referenzstrahl 9. Der Referenzstrahl 9 trifft von vorne auf die Hologrammplatte 1, während der Objektstrahl 10 nach diffuser Reflektion am Objekt von hinten auf die Hologrammplatte 1 trifft. Objektstrahl 10 und Referenzstrahl 9 interferieren im Volumen der Hologrammplatte 1; die durch Interferenz der von Objekt- und Referenzstrahl entstehenden Braggschen Ebenen erfüllen das Hologrammvolumen. Zur Reproduktion des Farbhologramms dient die für Volumenhologramme charakteristische Besonderheit, daß jedes Teilhologramm allein durch die Farbe zu rekonstruieren ist, mit der es aufgenommen wurde. Die Wiedergabe erfolgt demnach am besten mit den bereits bei der Aufnahme verwendeten Lichtquellen 5,6. Die drei rekon- struierten Farbauszüge überlagern sich zum farbigen, original- treuen Bild.
Das holografische Display kann Anwendung finden als virtuelles 3D-Kombiinstrument im Fahrzeug, als Dual-Distance Display für Office und Entertainmentanwendungen, als TV oder als Monitor am Computer, aber auch für die Anwendung als Kleinstbildschirm für IT-Anwendungen wie Handy. Für Software-Anwendungen sind 3D-CAD und 3D-Computerspiele denkbar.

Claims

Patentansprüche
1.Holografisches Diplay (3) zur Speicherung und Wiedergabe einer räumlichen Struktur, mit einem das Masterhologramm bildenden holografischen Schirm (1) und mit einer Projektionseinrichtung (2) , die zur Wiedergabe der räumlichen Struktur den holografischen Schirm (1) beleuchtet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das holografische Display (3) aus mehreren holografischen Schirmen (la,lb) aufgebaut ist, die jeweils einer eigenen Projektionseinrichtung (2a, 2b) zugeordnet sind.
2. Holografisches Display (3) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Projektionseinrichtungen (2a, 2b) eines holografischen Displays (3) ein Array von punktförmig modulierbaren Lichtquellen aufweisen.
3. Holografisches Display (3) nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die holografischen Schirme (1) eines holografischen Displays (3) ein Array von holografisch optischen Elementen aufweist, die das Licht der Projektionseinrichtungen (2a, 2b) sammelt und jeden Pixel auf ein beliebig im Raum angeordnetes Array von identischen holografischen Schirmen projiziert.
4. Holografisches Display (3) nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei der Herstellung des holografischen Displays die visuelle Bildentfernung eingestellt wird.
5. Holografisches Display (3) nach den Ansprüchen 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das holografische Display (3) flexibel ist, indem als optisches Element eine holografische Schicht auf einem Plastiksubstrat angeordnet ist.
6. Holografisches Display (3) nach den Ansprüchen 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem holografischen Display (3) mehrere Bildebenen gespeichert sind.
7. Holografisches Display (3) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die verschiedenen Bildebenen durch Wahl von geeigneten Projektionsrichtungen abgerufen werden können.
EP01949453A 2000-07-17 2001-06-30 Holografisches display Withdrawn EP1301815A1 (de)

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