DE10111946A1 - Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen und Bildschirmhologramm - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen wird ein realer Bildschirm (11) mit schmalbandigem Licht (13) einer einzigen Wellenlänge beleuchtet, um ein Hologramm des realen Bildschirms zu erzeugen. Dabei wird ein Interferenzmuster erzeugt, das in einer Hologrammschicht (12) als Volumenhologramm gespeichert wird. Die Hologrammschicht (12) hat eine Dicke von weniger als 10 mum. Das erzeugte Hologramm bzw. das Bildschirmhologramm ist zur Farbwiedergabe geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Bildschirmhologramm gemäß dem Ober­ begriff von Patentanspruch 14.

Bildschirmhologramme sind holografische Abbilder bzw. Hologramme von reellen, bei­ spielsweise weißen Projektionsschirmen bzw. Bildschirmen oder Bildschirmleinwänden. Sie werden z. B. mit Lasern aufgenommen, wobei ein Objektstrahl den realen Projektionsschirm beleuchtet und ein Referenzstrahl dem vom Objekt reflektierten oder gestreuten Licht über­ lagert wird. Dadurch entsteht ein Interferenzmuster, das in einer Hologrammschicht gespei­ chert wird und das Bildschirmhologramm bildet.

Derartige Bildschirmhologramme haben die Eigenschaft, dass sie bei der späteren Projekti­ on nur in einem engen Spektralbereich um die Aufnahmewellenlänge und gleichzeitig nur innerhalb eines sehr begrenzten Projektionswinkels um die Einfallsrichtung des Referenz­ strahles bei der vorhergehenden Hologrammaufnahme wirksam sind. Die Funktionsweise solcher Schirme bzw. holografischer Bildschirme ist beispielsweise in den Dokumenten DE 197 00 162 A1 und DE 197 03 592 A1 beschrieben.

Die möglichen Anwendungen von Bildschirmhologrammen erstrecken sich über das weite Gebiet von kleinen Displays, z. B. für nur eine einzige Person in Fahrzeugen und Flugzeugen oder an Arbeitsplätzen im Büro, bis zu Großflächenschirmen für mehrere Zuschauer bei Veranstaltungen.

Holografische Bildschirme bzw. Bildschirmhologramme können sowohl für Aufprojektion als auch für Rückprojektion hergestellt werden. Wegen ihrer Wellenlängen- und Richtungs­ selektivität können selbst in Tageslichtumgebung helle, kontrastreiche und farbtreue Bilder auf Bildschirmhologramme projiziert werden. Dabei wird ein Projektor mit z. B. ein oder mehreren schmalbandigen Lichtquellen an den Strahlursprung des divergenten Referenz­ strahles bei der Aufnahme des Bildschirmhologramms platziert. Nur von dort aus wird das Projektionslicht effizient aus dem Hologramm zum Betrachter herausgebeugt, wobei z. B. das diffuse, breitbandige Umgebungslicht aus allen anderen Einfallsrichtungen das Bild­ schirmhologramm ungehindert durchqueren kann.

Für die Farbwiedergabe bzw. die Projektion von Bildern auf Bildschirmhologramme, die sich zur Farbwiedergabe eignen, können z. B. rgb-Laser verwendet werden, wie sie in "RGB Op­ tical Parametric Oscillator Source", K. Snell et al. Aerosense 99 und in den Patentschriften DE 195 04 047 und DE 44 32 029 beschrieben werden.

Um jedoch eine Farbwiedergabe zu ermöglichen, muss der holografische Bildschirm bzw. das Bildschirmhologramm besondere Eigenschaften aufweisen. Diese werden durch eine Aufnahme des Bildschirmhologramms in mehreren Farben, z. B. in den drei Grundfarben RGB, erreicht. Dabei können vor allem rgb-Laser im Dauerstrichbetrieb und gepulsten Be­ trieb sowie rgb-Leuchtdioden verwendet werden. Der Bildaufbau kann wahlweise durch das seriellen Scannen eines kollimierten Laserstrahles oder durch die Abbildung eines Bild­ modulators im aufgeweiteten Strahl eines Lasers oder einer Leuchtdiode auf den Schirm durchgeführt werden.

Bei der Herstellung von Bildschirmhologrammen, die sich zur Farbwiedergabe eignen, be­ reitet jedoch die Einbelichtung von den drei rgb-Farben dreier Laser in das gleiche Holo­ gramm Schwierigkeiten, da eine gleichmäßige Belichtung aller drei Laser über eine größere Fläche kaum erzielt werden kann. Da die Wellenlängen der Laser deutlich unterschiedlich sind, ergeben sich Unterschiede in der Strahltransmission durch Brechung, Beugung und Streuung an verschiedenen Stellen des gesamten Strahlenganges, was zu ungleichmäßiger Farbdarstellung führt und bei einer Abbildung über eine ausgedehnte Fläche nur schwer zu beheben ist.

Um diese Probleme zu überwinden und z. B. auch großflächige Bildschirmhologramme mit hoher Qualität herstellen zu können, wird in der deutschen Patentanmeldung Nr. 199 34 162.1 vorgeschlagen, eine Vielzahl von Einzelaufnahmen durchzuführen, wobei je­ weils nur ein Teil des realen Bildschirms beleuchtet wird, so daß sich durch Zusammenset­ zen und/oder Überlagern der Einzelaufnahmen das Bildschirmhologramm des gesamten Bildschirms ergibt. Bei der Aufnahme des Bildschirmhologramms erfolgt eine Belichtung in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau, wobei die Aufnahmen entweder in einer Holo­ grammschicht gespeichert werden oder in drei getrennten Schichten gespeichert werden, die anschließend aufeinander laminiert werden.

Diese Aufnahmetechnik hat jedoch den Nachteil, daß ein großer Aufwand erforderlich ist und daher bei der Herstellung der Bildschirmhologramme zur Farbwiedergabe auch große Kosten entstehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben, mit dem Bild­ schirmhologramme, die zur Farbwiedergabe geeignet sind, auf einfachere und kostengüns­ tigere Weise hergestellt werden können. Weiterhin soll ein Bildschirmhologramm geschaf­ fen werden, das zur Farbwiedergabe geeignet ist und einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologram­ men gemäß Patentanspruch 1 und durch das Bildschirmhologramm gemäß Patentanspruch 14. Weitere vorteilhafte Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhän­ gigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen, bei dem ein Hologramm eines realen Projektionsschirms aufgenommen wird, um einen ho­ lografischen Projektionsschirm zu erzeugen, werden die folgenden Schritte durchgeführt: Beleuchten eines realen Projektionsschirms mit schmalbandigem Licht; Überlagern des vom Projektionsschirm gestreuten oder reflektierten Lichts mit einem Referenz-Lichtstrahl zur Erzeugung eines Interferenzmusters; und Speichern des Interferenzmusters in einer Holo­ grammschicht, wobei das aufgenommene Hologramm als Volumenhologramm ausgestaltet wird, und die Hologrammschicht eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist.

Dadurch kann ein spektral breitbandiges Hologramm als holografischer Bildschirm bzw. Bildschirmhologramm geschaffen werden, das bei der Aufnahme nur die Verwendung einer einzigen Wellenlänge erfordert. Dies hat zur Folge, dass in erheblichem Umfang Kosten eingespart werden und der Aufwand reduziert wird. Derartig hergestellte Hologramme sind dennoch zur Wiedergabe in mehreren Farben, insbesondere in den Grundfarben RGB ge­ eignet bzw. wirksam, selbst wenn sie bei der Aufnahme nur mit einer einzigen Aufnahme­ wellenlänge eines Beleuchtungslasers beleuchtet werden. Das heißt, mit einer einfachen und kostengünstigen Aufnahmetechnik können Bildschirmhologramme erzeugt werden, die z. B. den gesamten RGB-Farbbereich bei der Projektion wiedergeben.

Die Dicke der Hologrammschicht soll z. B. möglichst gering sein. Vorteilhafterweise sie liegt etwa die Dicke der Hologrammschicht im Bereich zwischen 1 µm und 10 µm, oder sie be­ trägt besonders bevorzugt maximal 5 µm.

Bei der Aufnahme kann Licht einer einzigen Wellenlänge verwendet werden, das bevorzugt im sichtbaren Bereich liegt, wobei das Hologramm z. B. zur Farbwiedergabe geeignet ist.

Das Hologramm ist beispielsweise als Transmissions- oder Reflexionshologramm ausgestal­ tet, je nachdem, ob die spätere Projektion als Aufprojektion oder als Rückprojektion durch­ geführt werden soll.

Als Materialien für die Hologrammschicht eignen sich besonders Materialien wie Photopo­ lymer, Silberhalogenid, Photoresist und Dichromatgelatine. Diese Materialien ergeben bei der späteren Bildwiedergabe eine besonders gute Qualität hinsichtlich Helligkeit und Farb­ treue.

Bevorzugt wird bei der Aufnahme ein schnell gepulster Lichtstrahl verwendet, der den Pro­ jektionsschirm abtastet, um eine Vielzahl einzelner Hologramm-Elemente zu erzeugen, die sich aneinander reihen und zu einem Gesamt-Hologramm, der das Bildschirmhologramm bildet, zusammensetzen. Dadurch wird die Qualität der späteren Wiedergabe weiter ver­ bessert, insbesondere bei relativ großen holografischen Bildschirmen.

Die einzelnen Hologramm-Elemente können z. B. zeilenförmig gestaltet bzw. belichtet wer­ den. Dabei kann eine Zeile jeweils den größeren Teil des Hologramms überspannen. Die Zeilen liegen in senkrechter Richtung bevorzugt so dicht beieinander bzw. werden so dicht in die zweite Richtung belichtet, dass das Hologramm fast lückenlos bedeckt wird.

Vorteilhafterweise wird bei der Aufnahme der gepulster Lichtstrahl mit einem Scanner über den Projektionsschirm geführt, wobei ein Lichtpuls auf dem Projektionsschirm keine größe­ re Scanbewegung als 1/10 der Wellenlänge des Lichts ausführt, und/oder wobei die Puls­ dauer bevorzugt im Bereich von ca. 10 ns liegt. Dadurch ergeben sich besonders stabile Interferenzen im Hologramm. Zum Beispiel liegt die Pulsdauer, insbesondere bei einer Scangeschwindigkeit von 0,33 mm pro Puls entlang einer Scanspur, im Bereich von 5 bis 15 ns.

Um möglichst kurze Kohärenzlängen zu erreichen und damit die laterale Ausdehnung der Hologramme zu begrenzen, können auch Laser mit einer Pulsdauer im Pikosekundenbe­ reich oder unterhalb einer Pikosekunde vorteilhaft sein.

Vorteilhafterweise sind die einzelnen Hologramm-Elemente jeweils kleiner sind als ein zu projizierendes Bildpixel. Besondere Vorteile hinsichtlich der Bildqualität in bestimmten An­ wendungsfällen können sich zum Beispiel bei relativ großen Bildpixeln ergeben.

In vielen Fällen, z. B. wenn zur Belichtung ein Laser mit relativ geringer Pulswiederholfre­ quenz aber hoher Pulsenergie verwendet wird, ist es vorteilhaft, mit jedem Puls eine schmale Zeile zu belichten, die sich z. B. über die ganze Breite des Bildschirms erstreckt.

Bevorzugt wird zur Aufnahme ein Laser verwendet, insbesondere ein schnell gepulster, frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser. Vorteilhafterweise wird als aufzunehmender Projekti­ onsschirm eine Diffuserscheibe bzw. ein Diffuser oder eine Matt- oder Streuscheibe ver­ wendet.

Je nach Ausgestaltung der Scanspur eignen sich entweder Laser mit hoher oder niedriger Pulswiederholfrequenz. Bei dicht aufeinanderfolgenden Hologrammen bzw. Teil-Hologram­ men oder Hologramm-Elementen sind z. B. Laser mit hoher Pulsfrequenz vorteilhaft. Bei zeilenförmigen Hologrammen eignen sich beispielsweise Laser niedriger Pulswiederholfre­ quenz, die jedoch eine hohe Spitzenleistung haben.

Der Projektionsschirm kann sich bei der Aufnahme in Kontakt mit der Hologrammschicht befinden, das heißt, es wird ein Kontakthologramm erzeugt. Es ist aber auch möglich, dass sich der Projektionsschirm bei der Aufnahme entfernt von der Hologrammschicht befindet. Dabei kann die Entfernung von der Hologrammschicht so gewählt werden, dass sie einer vorgegebenen Entfernung der Bildebene von der Hologrammschicht bei der späteren Pro­ jektion von Bildern auf den holografischen Bildschirm entspricht. Der besondere Vorteil liegt darin, dass das projizierte Bild z. B. in einer größeren Entfernung vom Betrachter als das Bildschirmhologramm erscheint. Beim Führen von Fahr- oder Flugzeugen muss deshalb das Auge eines Betrachters nicht mehr auf kurze Entfernungen adaptiert werden, wenn er auf den Projektionsschirm als Display oder Anzeigeschirm blickt.

Das erfindungsgemäße Bildschirmhologramm hat eine Hologrammschicht, die ein Holo­ gramm eines realen Projektionsschirms umfasst, der bei der Aufnahme des Hologramms mit schmalbandigem Licht beleuchtet wurde, um mittels eines Referenzstrahls ein Interferenz­ muster zu erzeugen und in der Hologrammschicht zu speichern, wobei das aufgenommene Hologramm als Volumenhologramm ausgestaltet ist, und die Hologrammschicht eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist, und wobei das Hologramm zur Wiedergabe der drei Grundfarben RGB geeignet ist.

Der holografische Bildschirm kann bei der Aufnahme mit nur einer einzigen Wellenlänge beleuchtet werden, sodass er einfach und kostengünstig herstellbar ist und dennoch zur Farbwiedergabe bzw. zu einer breitbandigen Wiedergabe geeignet ist.

Bevorzugt hat die Hologrammschicht eine Dicke im Bereich zwischen 1 und weniger als 10 µm. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Bildschirmhologramm mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellt.

Bei der Herstellung des Bildschirmhologramms können z. B. noch folgende weitere vorteil­ hafte Merkmale verwirklicht werden:
Vorzugsweise erfolgt ein mehrmaliges Abscannen der Bildschirmfläche mit jeweils phasen­ verschobenem Laserstrahl. Die Verteilung der Belichtung kann gemessen werden, um bei einem nachfolgenden Belichtungszyklus die Belichtung zu korrigieren. Auch können meh­ rere Belichtungen mit senkrecht zueinander polarisierten Licht- oder Laserstrahlen durch­ geführt werden, um zwei voneinander unabhängige Schirmbilder in dem Hologramm zu erzeugen.

Weiterhin können mehrere Belichtungen mit veränderten Aufnahmeparametern, wie bei­ spielsweise verändertem Ort des realen Bildschirms oder verändertem Ursprungsort des Referenzstrahls, durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Bildschirmhologramm hat z. B. ein holografisches Aufnahmemateri­ al. in dem ein realer Bildschirm als Hologramm gespeichert ist, wobei das Bildschirmholo­ gramm beispielsweise eine Vielzahl von Einzelaufnahmen enthält, in denen jeweils ein Teil­ bereich des realen Bildschirms als Hologramm abgebildet ist. Insbesondere kann sich das gesamte Bild des Bildschirms aus den zusammengesetzten und/oder überlagerten Einzel­ aufnahmen ergeben. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Qualität bei der Bildwieder­ gabe, selbst bei einer großflächigen Realisierung des Bildschirmhologramms.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben, in denen

Fig. 1 eine Anordnung zur Aufnahme eines Refexions-Bildschirmhologramms als Kontakt­ hologramm schematisch in Seitenansicht zeigt;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 den Verlauf einer Scanspur auf einer Hologrammschicht bei der holografischen Auf­ nahme eines Projektionsschirms mit einem gepulsten Laserstrahl zeigt.

Fig. 1 zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht schematisch die Auf­ nahme eines Reflexionshologramms eines reellen Bildschirmes als Kontakthologramm für die spätere Aufprojektion. Ein holografisches Aufnahmematerial bzw. eine Hologramm­ schicht 12 befindet sich in Kontakt mit einem Bild- bzw. Projektionsschirm 11. Schmalban­ diges Licht 13 beleuchtet den Projektionsschirm 11, wobei das Licht 13 in dieser Ausfüh­ rungsform zunächst die Hologrammschicht 12 durchläuft, bevor es auf den Projektions­ schirm 11 trifft.

Das vom Projektionsschirm 11 zurückgestreute bzw. reflektierte Licht 17 überlagert sich mit dem einfallenden Licht 13 und bildet mit seinen Wellen holographische Interferenzmuster, die durch den Belichtungsprozess in der Hologrammschicht 12 als Hologramm gespeichert werden. Die Dicke der Hologrammschicht 12 ist möglichst gering gewählt und liegt im vor­ liegenden Fall im Bereich von ca. 1 bis 10 µm. Das Hologramm ist trotz seiner geringen Di­ cke als Volumenhologramm bzw. als sogenanntes "dickes Hologramm" ausgestaltet und es ist trotz Aufnahme mit Licht 13 einer einzigen Wellenlänge dazu geeignet, farbige Bilder bzw. Bildpunkte bei der Projektion wiederzugeben. Insbesondere können die drei Grund­ farben RGB wiedergegeben werden.

Das Hologramm kann auch als Transmissionshologramm aufgenommen werden. Im vorlie­ genden Fall werden als Materialien für die Hologrammschicht beispielsweise Photopolymer, Silberhalogenid, Photoresist, oder Dichromatgelatine gewählt.

Es wird in dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel bei der Aufnahme ein einziger, schnell gepulster Laser 16 zur Erzeugung des schmalbandigen Lichts 13 verwen­ det. Der Laser 16 erzeugt Licht im sichtbaren Bereich, im vorliegenden Fall grünes Licht. Hierzu ist der Laser ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit ausreichender Kohärenz­ länge. Der Laser 16 zur Beleuchtung hat z. B. die folgenden Charakteristika: Wellenlänge 532 nm, mittlere Leistung 800 mW, Pulsfrequenz 15 kHz, Pulsdauer 10 ns, Frequenzband­ breite 100 MHz, Kohärenzlänge 3 m.

Bei der Beleuchtung wird ein Scanverfahren durchgeführt. Dabei wird das Licht 13 als La­ serstrahlbündel über die Hologrammschicht 12 in zwei Achsenrichtungen x und y flächen­ deckend mit Scannern 14 und 15 gescannt, z. B. mit einem kreisförmig geformten Laser­ strahlfleck.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Hologrammschicht 12 dargestellt. Der Laser- bzw. Licht­ strahl 13 beleuchtet sukzessive jeweils einen Teilbereich 11a der Hologrammschicht 12 und des dahinterliegenden Bildschirms 11. Auch anders geformte Laserflecke wie z. B. ein Rechteck können verwendet werden. Ein Teil der auffallenden Laserstrahlung 13 wird von der Hologrammschicht 12 durchgelassen und fällt auf den reellen Bildschirm bzw. Projekti­ onsschirm 11, der die Strahlung 17 als Objektlichtwellen wieder in das Hologramm 12 zu­ rückstreut. Dort treffen die Objektlichtwellen wieder auf den einfallenden Strahl 13. Es kön­ nen verschiedenste Scanfiguren, z. B. Rasterscan, Sinusscan oder Spiralscan verwendet werden.

Das Bildschirmhologramm wird also in dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht als ganzes in einem Stück als Abbild des reellen Bild- bzw. Projektionsschirms 11 auf­ genommen, sondern in einer sehr hohen Zahl von Einzelaufnahmen, in denen jeweils nur kleine Teile 11a des reellen Projektionsschirmes 11 beleuchtet werden. Das ganze Bild des Projektionsschirmes 11 ergibt sich dann als Zusammensetzung bzw. Überlagerung der Viel­ zahl von Einzelaufnahmen, z. B. in der Art von Bildpixeln.

Das erzeugte Bildschirmhologramm ist in diesem Beispiel als Kontakthologramm ausgeführt, bei dem das projizierte Bild bei der Wiedergabe in der Hologrammebene erscheint. Durch das Einbelichten des Projektionsschirms 11 in einer einzigen Farbe in die besonders dünn ausgestaltete Hologrammschicht 12 in Form eines Volumenhologramms können später auch Farbbilder auf den so erzeugten holografischen Schirm projiziert werden.

Kontakthologramme haben den Vorteil eines einfachen optischen Aufbaus bei der Aufnah­ me. Das Hologramm wird deshalb, wie in Fig. 1 gezeigt, auf den reellen Projektionsschirm 11, z. B. eine reflektierende Streuscheibe oder ein transmittierendes Mattglas, im Kontakt aufgelegt und gemeinsam mit dem Referenzstrahl, der hier durch den Aufnahmestrahl 13 gebildet wird, ohne zusätzliche Objektausleuchtung belichtet. Bei der späteren Projektion ist der Winkel des rückgestreuten Projektionslicht aus der Hologrammschicht 12 in Richtung zum Zuschauer der gleiche wie der des reellen Bildschirmes in Bezug auf den Aufnahme- Lichtstrahl 13.

Der holografische Bildschirm bzw. das erzeugte Hologramm gibt bei der späteren Projektion die optischen Eigenschaften der projizierten Bildpixel, d. h. Helligkeit (Grauwert), Farbe, Polarisation und Abstrahlwinkel nur einzeln für jedes Pixel vom Schirm wieder. Eine opti­ sche Verknüpfung zwischen benachbarten Pixeln besteht nicht, und ein Bildschirm als Kontakt- oder Bildebenenhologramm hat nur eine zweidimensionale Struktur.

Damit das Hologramm bzw. Bildschirmhologramm diese Wirkungsweise eines flachen Bild­ schirmes in der Hologrammebene wiedergeben kann, ist es nicht zwingend notwendig, den ganzen reellen Projektionsschirm 11 in einer einzigen Belichtung über eine ausgedehnte Hologrammfläche aufzunehmen, wie es bei Hologrammen von dreidimensionalen Objekten der Fall ist, sondern der Bildschirm kann als zusammengesetzter oder mosaikartig aufgebauter Film von getrennten Einzelaufnahmen von Teilbereichen 11a eines realen Bildschir­ mes ausgebildet sein. Diese Teilbereiche 11a können deshalb bis zu der Größe eines einzel­ nen Bildpixel und kleiner ausgestaltet werden.

Der holografische Bildschirm wird daher in dem hier beschriebenen Beispiel durch Belich­ tung des reellen größeren Bildschirmes 11 mit Licht 13 in Form eines schnell gepulsten La­ serstrahls aufgenommen, der über die gesamte Fläche lückenlos gescannt wird. Damit die Bewegung des Strahles 13 über den Schirm 11 bzw. über das Aufnahmematerial bzw. die Hologrammschicht 12 keinen Einfluß auf die Interferenz der Lichtwellen im Hologramm bzw. in der Hologrammschicht 12 hat, wird sichergestellt, dass einerseits die Pulsdauer des Lasers 16 ausreichend kurz ist, und dass andererseits die Kohärenzlänge des Laserlichtes für die Ausbildung der Interferenzen ausreicht. Um eine besonders wirtschaftliche Herstellung des holografischen Schirms zu erreichen, ist die Pulswiederholfrequenz des Lasers 16 und seine mittlere Leistung ausreichend hoch, so daß sich eine kurze Belichtungszeit ergibt.

Die Größe und die Form des jeweiligen Teilhologramms 11a und die Scangeschwindigkeit wird deshalb so gewählt, dass mit den vorgegebenen Betriebsparametern des aufnehmen­ den Lasers 16, wie mittlere Leistung und Pulswiederholfrequenz, eine optimale Bestrahlung und homogene Ausleuchtung der Hologrammschicht 12 erreicht wird, ohne dass der Wir­ kungsgrad der Aufnahme gleichzeitig durch Bewegung des Scanstrahles 13 herabgesetzt wird.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Scanspur des Lichtstrahls 13 auf der Hologrammschicht 12 bei der Hologrammaufnahme. Dabei wird die Beleuchtungsspur durch den Lichtstrahl 13 mä­ anderförmig in xy-Richtung über die Hologrammschicht 12 mit den zwei Scanspiegeln 14, 15 geschrieben.

Die Bewegung der interferierenden Wellen im Hologramm durch die scannenden Strahlen (Objektstrahl und Referenzstrahl) während der Pulsdauer gegeneinander und gegenüber dem Hologrammfilm beträgt dabei nicht mehr als Bruchteile der Wellenlänge (< λ/10). Diese Bedingung wird durch eine entsprechende Einstellung der Scangeschwindigkeit im Ver­ hältnis zu der Pulsdauer des Lasers erfüllt. Bei einer Pulsdauer von 10 ns und einer Scan­ geschwindigkeit von 5 m/sec ist die Bewegung des Strahles z. B. 50 nm was etwa λ/10 ent­ spricht.

Bei der Ausführung des Verfahrens wurden beispielsweise folgende Scanparameter ver­ wendet:
Bei einer Pulsdauer von 10 ns findet keine größere laterale Scanbewegung als 1/10 der Wellenlänge statt, d. h., die Scangeschwindigkeit liegt maximal bei 5 m/s. Dadurch werden besonders stabile Interferenzen erzeugt. Da der Laser 16 15000 Pulse pro Sekunde erzeugt, rückt der Laserstrahl pro Puls um 0,33 mm entlang der Scanspur vor. Bei einer Scan­ geschwindigleit von 5 m/s und einer Breite des Hologramms von 1 m können pro Sekunde etwa 5 Scanspuren in Vertikalrichtung geschrieben werden.

Damit ein guter Überlapp der einzelnen Laserpuls am Hologramm entsteht, beträgt die mittlere Breite der Laserbeleuchtungsflecken an der Hologrammschicht 12 etwa 1 mm. In der vertikalen Richtung, d. h. in y-Richtung, beträgt die Länge der Beleuchtungsflecken z. B. 7,5 mm. In vertikaler Richtung rückt die Zeile nur um 2,5 mm pro Horizontalscan vor, so dass sich eine gute Überlappung ergibt. Die Einstellung eines ovalen Strahlquerschnitts am Ho­ logramm wird mit Hilfe einer Zylinderoptik vor der Scanbox durchgeführt.

In einer Sekunde werden mit diesen Parametern 5 × 2,5 mm, d. h., 1,25 cm Höhe der Holo­ grammfläche 12 abgescannt. Das einmalige Überdecken der Hologrammfläche mit bei­ spielsweise 75 cm Höhe dauert dann 1 Minute. Die Anzahl der Zeilen ist 750 mm/2,5 mm, also 300, und die der Spalten 1000 mm/0,33 mm, also 3000.

Als Projektionsschirm 11 bzw. Diffuser dient z. B. eine Projektionsleinwand, es können aber auch Keramikfolien oder Theaterprojektionsleinwände verwendet werden. Auf Grund der gepulsten Belichtung ist keine besondere mechanische Stabilität des Materials und der Kontaktierung mit dem Hologramm notwendig.

Der erfindungsgemäß hergestellte holografische Bildschirm ist für RGB-Projektion mit Lam­ pen-, LED-, und Laserprojektoren geeignet. Bei der Aufnahme wird das Hologrammmaterial so ausgelegt, dass die spektrale Bandbreite in der Bildwiedergabe den gesamten RGB- Bereich bzw. 440 nm bis 640 nm umfasst. Er kann z. B. eine 50-Zoll-Diagonale aufweisen und mit einem schwarzen Hintergrund versehen sein.

Bei Bildebenenhologrammen wird der Bildschirm mit einer Linse in das Hologramm abge­ bildet. Damit die Teilbeleuchtung von Bildschirm mit Objektstrahl und Hologramm mit Refe­ renzstrahl sich überlappen, müssen beide Scanstrahlen miteinander bei ihrer Bewegung so synchronisiert werden, daß der abgebildete Fleck vom Bildschirm im Hologramm und der Fleck des Referenzstrahles sich jedesmal decken.

Die Lichtwellen im Objektstrahl und Referenzstrahl müssen sich während der Belichtung im Hologramm kohärent überlagern. Dies bedeutet, daß die Kohärenzlänge des verwendeten Beleuchtungslasers 16 mindestens so groß oder größer sein muß als die Differenz der Lichtwege zwischen den Wellen des Objekt- und Referenzstrahl, die aus einem gemeinsa­ men Strahl stammen, bis sie sich wieder im Hologramm bzw. in der Hologrammschicht 12 treffen. Diese Forderung kann z. B. durch eine entsprechende Auslegung der Strahlführung und Aufbauten der Hologramme mit der Kohärenzlänge der verfügbaren Lasern in Einklang gebracht werden.

Beim Scannen mit gepulster Strahlung mit konstanter Leistung von Puls zu Puls, kann eine große Hologrammfläche mit gleichmäßiger mittlerer Intensitätsverteilung abgedeckt wer­ den, jedoch kann die Belichtung, d. h. die Lichtintensität mal Zeit, je nach dem Verhältnis Scangeschwindigkeit zur Pulswiederholfrequenz des Strahles mit Gauß-Intensitätsprofil unter Umständen über die ganze Fläche entlang der Scanspur periodisch moduliert sein. Die Erfindung sieht deshalb weiterhin vor, daß diese periodische lokale Ungleichmäßigkeit der Beleuchtung, sowie auch Inhomogenitäten in der Hologrammdicke, z. B. bei mosaikarti­ ger Verlegung mehrere Hologramme nebeneinander, durch mehrmaliges Abscannen der gleichen Fläche mit phasenverschobenem Scanstrahl, bzw. durch Regelung der Pulsleis­ tung, ausgeglichen werden. Hier nutzt die Erfindung z. T. die Eigenschaft von Hologramm­ aufnahmen aus, daß in einem einzigen Hologramm mehrere Objektbelichtungen überlap­ pend und unabhängig voneinander gespeichert werden können.

Damit dieser Belichtungsvorgang automatisch ablaufen kann, wird in einer nicht dargestell­ ten Ausführungsform der Erfindung die Verteilung der Belichtung durch einen kalibrierten Rückstreusensor, der im Strahlengang des Beleuchtungslasers koaxial zum gepulsten Be­ lichtungsstrahl angeordnet ist, überwacht. Altenativ dazu können Überwachungskameras die Laserbeleuchtung über die gesamte Hologrammfläche ständig vermessen. Das damit gewonnene Belichtungsmuster kann von einem Microprozessor, bzw. Computer gespei­ chert und bei nachfolgenden nochmaligen Scanzyklen über die gesamte Hologrammfläche durch Regelung der Laserlichtintensität und Flächenverteilung der Scanfigur zur nachträgli­ chen Korrektur der Belichtung der vorhergehenden Belichtungsmuster verwendet werden.

Nach dem Entwicklungsprozess sind die optischen Eigenschaften des Bildschirms in der Hologrammschicht 12 als Hologramm gespeichert.

Die optimale akkumulierte Belichtung der Hologramme ist für jedes Material und für jede Wellenlänge verschieden, z. B. liegt sie für Photopolymermateralien bei etwa 25 mJ/cm², d. h. zur Belichtung von 1 m² mit einem Laser 1 W mittlerer Leistung würden 250 Sekunden oder etwa 4 Minuten benötigt. Bei Silberhalogenidfilmen ist nur eine Belichtung von etwa 0,5 mJ/cm² notwendig, wodurch die Belichtungszeit entsprechend gekürzt werden kann.

Bildebenenhologramme sind Aufnahmen von mit Linsen oder Spiegeln abgebildeten Schir­ men, die in der Hologrammebene liegen. Der Abstrahlwinkel dieser Hologramme, kann durch die Abbildungsgeometrie erheblich eingeengt werden, mit einer entsprechenden Zunahme der Helligkeit des Bildes, was für viele Anwendungen von großem Vorteil ist.

In Bezug auf weitere Varianten bei der Aufnahme von Bildschirmhologrammen als Trans­ missions- oder Reflexionshologramme wird auf die oben bereits erwähnte deutsche Patent­ anmeldung Nr. 199 34 162.1 ausdrücklich Bezug genommen. Die dort gezeigten Aufnahme­ geometrien und Anordnungen, sowie die verwendeten Laser, sind auch im Zusammenhang mit der hier vorliegenden Erfindung verwendbar. Gleiches gilt für die Aufnahme von Bild­ schirmhologrammen zur stereoskopischen Bildwiedergabe, die in der genannten Patentan­ meldung Nr. 199 34 162.1 ausführlich beschrieben ist und in weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von Bildschirmhologrammen, bei dem ein Hologramm ei­ nes realen Projektionsschirms (11) aufgenommen wird, um einen holografischen Pro­ jektionsschirm zu erzeugen, mit den Schritten:
Beleuchten des realen Projektionsschirms (11) mit schmalbandigem Licht (13);
Überlagern des vom Projektionsschirm (11) gestreuten oder reflektierten Lichts (17) mit einem Referenz-Lichtstrahl (13) zur Erzeugung eines Interferenzmusters; und
Speichern des Interferenzmusters in einer Hologrammschicht (12),
dadurch gekennzeichnet,
dass das aufgenommene Hologramm als Volumenhologramm ausgestaltet wird, und die Hologrammschicht (12) eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Holo­ grammschicht (12) maximal 5 µm beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Hologrammschicht (12) etwa im Bereich zwischen 1 µm und weniger als 10 µm liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme Licht (13) einer einzigen Wellenlänge verwendet wird, bevor­ zugt im sichtbaren Bereich, wobei das Hologramm zur Farbwiedergabe geeignet ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm als Transmissions- oder Reflexionshologramm ausgestaltet ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme ein schnell gepulster Lichtstrahl (13) verwendet wird, der den Projektionsschirm (11) abtastet, um eine Vielzahl einzelner Hologramm-Elemente (11a) zu erzeugen, die sich aneinanderreihen und zu einem Gesamt-Hologramm zu­ sammensetzen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hologramm- Elemente (11a) zeilenförmig gestaltet werden, wobei die aneinandergrenzenden Zei­ len bei der Belichtung so dicht aneinanderliegen, dass das Hologramm fast lückenlos bedeckt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lichtpuls des gepulsten Lichtstrahls (13) eine Zeile als Hologramm-Element (11a) erzeugt, wobei sich die Zeilen aneinanderreihen und zum Gesamt-Hologramm zusammensetzen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Aufnahme ein gepulster Lichtstrahl (13) mit einem Scanner (14, 15) über den Projektionsschirm (11) geführt wird, wobei ein Lichtpuls auf dem Projektions­ schirm (11) keine größere Scanbewegung als 1/10 der Wellenlänge des Lichts aus­ führt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Scangeschwindigkeit von 0,33 mm pro Puls entlang einer Scanspur die Pulsdau­ er im Bereich von 5 bis 15 ns liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Holo­ gramm-Elemente (11a) jeweils kleiner sind als ein zu projizierendes Bildpixel.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme ein Laser (16) verwendet wird, insbesondere ein schnell gepulster, frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Projektionsschirm (11) eine Diffuserscheibe verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Projektionsschirm (11) bei der Aufnahme in Kontakt mit der Holo­ grammschicht (12) befindet.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass sich der Projektionsschirm (11) bei der Aufnahme in einer Ent­ fernung von der Hologrammschicht (12) befindet, die einer vorgegebenen Entfernung der Bildebene von der Hologrammschicht bei der späteren Projektion von Bildern auf den holografischen Bildschirm entspricht.

16. Bildschirmhologramm, mit
einer Hologrammschicht (12), die ein Hologramm eines realen Projektionsschirms (11) umfaßt, der bei der Aufnahme des Hologramms mit schmalbandigem Licht (13) be­ leuchtet wurde, um mittels eines Referenzstrahls (13) ein Interferenzmuster zu erzeu­ gen und in der Hologrammschicht (12) zu speichern,
dadurch gekennzeichnet,
das aufgenommene Hologramm als Volumenhologramm ausgestaltet ist, und die Ho­ logrammschicht (12) eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist, wobei das Holo­ gramm zur Wiedergabe der drei Grundfarben RGB geeignet ist.

17. Bildschirmhologramm nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Holo­ grammschicht (12) eine Dicke im Bereich zwischen 1 und weniger als 10 µm aufweist.

18. Bildschirmhologramm nach Anspruch 16 oder 17, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.