DE10135450A1

DE10135450A1 - Projektionssystem

Info

Publication number: DE10135450A1
Application number: DE10135450A
Authority: DE
Inventors: Joerg Gutjahr; Steffen Zozgornik
Original assignee: I L B INST fur LICHT und BAUT
Current assignee: GUTJAHR, JOERG, PROF. DR., 51588 NUEMBRECHT, DE; Zozgornik Steffen Dipl-Ing 51381 Leverkusen
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-02-06
Also published as: WO2003010570A1

Abstract

Ein Projektionssystem zum Darstellen von Bildern durch Aufprojekten weist einen Projektion (10) zur Erzeugung des darzustellenden Bildes auf. In einer Projektionsebene (28) eines Projektionsschirms (12) sind mehrere holografisch-optische Elemente angeordnet, die jeweils ein Beugungsgitter (54) und eine Linseneinrichtung (58) aufweisen. Um eine Aufprojektion zu realisieren, weist das Projektionssystem ferner eine Stahlen-Umlenkeinrichtung (36) zur Umlenkung der von dem Projektor (10) erzeugten Einfallsstrahlen (18, 20) in Richtung der Projektionsebene (28) auf. Die Strahlen-Umlenkeinrichtung (36) weist zur Umlemkung der Strahlen (18, 20) ein Trägerelement (22) aus transparentem Material auf. Das Trägerelement (22) trägt ein erstes und zweites hochgrafisches Gitter (24, 26) mit unterschiedlicher Orientierung, so dass die Strahlen-Umlenkeinrichtung vom Projektor (10) in einem Einfallswinkel (alpha) auftreffende Einfallsstrahlen (18, 20) in Richtung der Projektionsebene (28) reflektiert und übriges Licht durchlässt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem zum Darstellen von Bildern durch Aufprojektion.
Zur Projektion von Bildern werden neben herkömmlichen Projektionsleinwänden, die derart ausgebildet sind, dass von einem Projektor auf die Leinwand projiziertes Licht von der Leinwand in Richtung eines Betrachters reflektiert wird, auch auf holografischen Verfahren basierende Projektionsschirme eingesetzt. Auf derartigen Projektionsschirmen wird das darzustellende Bild mit Hilfe eines oder mehrerer in dem Bildschirm vorgesehener Hologramme dargestellt. Diese Bildschirme haben den Vorteil, dass Fremdlicht nicht oder nur im geringen Maße reflektiert wird, so dass Bilder auf einem holografischen Projektionsschirm auch in heller Umgebung dargestellt werden können.

Ein derartiger holografischer Projektionsschirm ist aus DE 198 25 192 bekannt. Der Projektionsschirm weist mehrere in einer Ebene angeordnete holografisch-optische Elemente auf. Die einzelnen holografisch-optischen Elemente weisen mindestens eine Linseneinrichtung und ein Beugungsgitter auf. Die einzelnen holografisch-optischen Elemente werden durch Rückprojektion von einem Projektor mit dem darzustellenden Bild beleuchtet. Der Projektor befindet sich somit, bezogen auf den Betrachter auf der Rückseite des Projektionsschirms.

Bei dem Projektor handelt es sich beispielsweise um einen RGB- Projektor, der drei unterschiedliche Lichtbündel erzeugt, wobei jedes Lichtbündel ein Farbauszug des darzustellenden Bildes ist. Die drei Lichtbündel treffen in unterschiedlichem Winkel auf die Rückseite der holografisch-optischen Elemente auf. Aufgrund des in dem holografisch-optischen Element vorgesehenen Beugungsgitters werden die drei Lichtbündel unterschiedlich gebeugt. Das Beugungsgitter ist hierbei derart ausgebildet, dass die drei auf ein holografisch-optisches Element auftreffenden Lichtbündel zu einem gemeinsamen Lichtaustrittsbündel mit gleichem Lichtaustrittswinkel zusammengefasst werden. Der Betrachter sieht somit ein farbiges Bild.

Ferner weisen die einzelnen holografisch-optischen Elemente mehrere parallel zueinander angeordnete Zylinderlinsen auf. Die Zylinderlinsen bilden eine Rasterzylinderlinse. Die Rasterzylinderlinse bewirkt, dass die auf das holografisch-optische Element treffenden Lichtbündel nur horizontal monochromatisch aufgeweitet werden.

Ferner ist in DE 198 25 192 ein Projektionssystem beschrieben, bei dem ein herkömmlicher Projektor mit einer weißes Licht erzeugenden Lampe verwendet wird. Um auf dem holografischen Bildschirm ein Bild erzeugen zu können, sind im Bildbereich drei unterschiedlich holografisch-optische Elemente vorgesehen, die die einzelnen Farbbestandteile eines Bildes in Richtung des Betrachters umlenken. In Bezug auf ein drei einzelne holografisch-optische Elemente aufweisendes Element des Projektionsschirms treten die drei unterschiedlichen von jeweils einem der holografisch-optischen Elemente gebeugten Lichtbündel mit dem gleichen Lichtaustrittswinkel in Richtung des Betrachters aus.

Derartige holografische Projektionsschirme sind für Licht, das nicht aus dem von dem Projektor festgelegten Einfallswinkel kommt, durchsichtig. Bei ausgeschaltetem Projektor handelt es sich um eine im Wesentlichen durchsichtige Scheibe, die aufgrund der holografisch-optischen Elemente allenfalls einen milchigen Anschein hat. Es ist bei derartigen Projektionsschirmen jedoch erforderlich, dass der Projektor, vom Betrachter aus gesehen, hinter dem Projektionsschirm angeordnet ist. Derartige. Projektionssysteme benötigen daher relativ viel Raum. Eine Aufprojektion von Bildern bei holografischen Projektionsschirmen ist nur möglich, indem hinter dem die holografisch-optischen Elementen aufweisenden Projektionsschirm ein Spiegel angeordnet wird, der die von dem Projektor abgegebenen Strahlen in Richtung der holografisch-optischen Elemente und somit in Richtung des Betrachters reflektiert. Das Vorsehen eines Spiegels weist jedoch den Nachteil auf, dass der holografische Projektionsschirm nicht mehr durchsichtig ist. Das Vorsehen eines nicht durchsichtigen Spiegels ist bei vielen gewünschten Einsatzmöglichkeiten eines holografischen Bildschirms nicht möglich, da gerade die Durchsichtigkeit des Bildschirms gefordert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Projektionssystem zum Darstellen von Bildern durch Aufprojektion mit einem transparenten Projektionsschirm zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Projektionssystem weist einen Projektor zur Erzeugung des darzustellenden Bildes, einen Projektionsschirm mit mindestens einem in einer Projektionsebene angeordneten holografisch-optischen Element und eine Strahlen-Umlenkeinrichtung zur Umlenkung der von einem Projektor erzeugten Einfallsstrahlen in Richtung der Projektionsebene, d. h. in Richtung des mindestens einen holografisch-optischen Elements. Erfindungsgemäß ist die Strahlenumlenkeinrichtung derart ausgebildet, dass nur von dem Projektor in einem Einfallswinkel auftreffende Strahlen in Richtung der Projektionsebene des Projektionsschirms reflektiert werden und übriges Licht hindurchgelassen wird.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlen-Umlenkeinrichtung ein Trägerelement aus transparentem Material, beispielsweise Glas auf. Das Trägerelement trägt ein erstes und ein zweites holografisches Gitter mit unterschiedlicher Orientierung. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von zwei holografischen Gittern mit unterschiedlicher Orientierung werden von einem Projektor in einem Einfallswinkel auf die Strahlen-Umlenkeinrichtung auftreffende Einfallsstrahlen in Richtung des Projektionsschirms, d. h. in Richtung des mindestens einen holografisch-optischen Elements totalreflektiert.

Da nur bei einem bestimmten Einfallswinkel bzw. einem engen Winkelbereich Strahlen von der Strahlen-Umlenkeinrichtung reflektiert werden, ist die Strahlen-Umlenkeinrichtung für übriges Licht durchlässig.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Strahlen-Umlenkeinrichtung kann ein holografischer Projektionsschirm in Aufprojektion betrieben werden, wobei der Projektionsschirm sowie die Strahlen-Umlenkeinrichtung für Umgebungslicht durchlässig ist. Es ist somit ein Projektionssystem mit transparentem Projektionsschirm geschaffen, das in engen Räumen eingesetzt werden kann. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Projektionssystem besonders vorteilhaft, wenn aufgrund von räumlichen Gegebenheiten ein Projektor bezogen auf den Betrachter nicht hinter dem Projektionsschirm, d. h. in Rückprojektion angeordnet werden kann.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Projektionssystems besteht darin, dass der Projektionsschirm und die Strahlen-Umlenkeinrichtung bei Betrachtung von der Rückseite aus stets transparent sind. Von der Rückseite aus ist der Projektionsschirm und die Strahlen-Umlenkeinrichtung somit auch während des Projizierens von Bildern durchsichtig. Hierdurch ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Projektionssystems in Pkws möglich. Der Projektionsschirm kann zusammen mit der Strahlen-Umlenkeinrichtung beispielsweise auch auf Höhe der Kopfstützen angeordnet werden. Für einen im Fond des Fahrzeugs sitzenden Betrachter können auf dem Projektionsschirm Bilder dargestellt werden. Da der Projektionsschirm und die Strahlen-Umlenkeinrichtung von ihrer Rückseite her, d. h. für den Fahrer durchsichtig sind, beeinträchtigt die Darstellung der Bilder den Blick des Fahrers nach hinten durch das Rückfenster nicht.

Das mindestens eine holografisch-optische Element des Projektionsschirms ist vorzugsweise wie in DE 198 25 192 beschrieben, aufgebaut. Insbesondere bei kleineren Projektionsschirmen ist es möglich, nur ein einziges holografisch-optisches Element vorzusehen. Zur Verbesserung der Bildqualität sowie bei größeren Projektionsschirmen von insbesondere mehr als 30 cm Kantenlänge sind vorzugsweise mehrere holografisch-optische Elemente vorgesehen. Die einzelnen holografisch-optischen Elemente sind vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig und weisen eine Kantenlänge von 10 mm-30 mm auf. Zur Vereinfachung der Herstellung der holografisch-optischen Elemente kann anstelle einer Rasterzylinderlinse auch eine geeignete Folie, wie eine Streufolie vorgesehen sein, die einen ähnlichen Effekt, wie die eine Rasterzylinderlinse aufweist.

Vorzugsweise ist das erste holografische Gitter auf einer dem Projektor und damit auch dem Betrachter zugewandten Vorderseite des Trägerelements angeordnet. Hierbei handelt es sich bei dem Trägerelement vorzugsweise um eine ebene transparente Scheibe, die vorzugsweise aus Glas oder einem transparenten Kunststoff hergestellt ist. Vor dem Trägerelement ist vorzugsweise eine weitere Platte aus Glas oder transparentem Kunststoff vorgesehen, so dass das holografische Gitter zwischen dem Trägerelement und der Platte angeordnet ist. Durch die Platte ist das Gitter vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Ferner ist vermieden, dass beispielsweise beim Verwenden von feuchtigkeitsempfindlichen Filmen zur Herstellung der holografischen Gitter diese durch Feuchtigkeit beschädigt werden. Durch das erste holgrafische Gitter werden die Einfallsstrahlen, d. h. das von dem Projektor abgegebene Licht in einen Totalreflektionswinkel umgelenkt. Hierdurch verlaufen die Einfallsstrahlen innerhalb des Trägerelements in einem Winkel zu einer Rückseite des Trägerelements, so dass an der Rückseite Totalreflektion der Einfallsstrahlung auftritt. Das von dem Projektor abgegebene Licht kann somit nicht aus der Rückseite des Trägerelements austreten. Der Reflexionsgrad der Einfallsstrahlung, d. h. die Menge an Einfallsstrahlung, die tatsächlich reflektiert wird, hängt vom Umlenkungs-Wirkungsgrad des ersten holografischen Gitters ab. Der Umlenkungsgrad ist insbesondere auch vom Wellenlängenbereich des Lichtes abhängig.

Um eine erneute Totalreflektion des an der Rückseite des Trägerelements reflektierten Strahls an der Vorderseite des Trägerelements bzw. der Abdeckplatte zu vermeiden ist das zweite holografische Gitter, das zu dem ersten holografischen Gitter eine unterschiedliche Orientierung aufweist vorgesehen. Das zweite holografische Gitter ist vorzugsweise ebenfalls zwischen dem Trägerelement und der Abdeckplatte angeordnet. Der gleiche Effekt würde auch erzielt, wenn das zweite holgrafische Gitter beispielsweise innerhalb des Trägerelements angeordnet ist. Durch das zweite holografische Gitter wird der von der Rückseite des Trägerelements reflektierte Einfallsstrahl derart umgelenkt, dass er einen Winkel zur Vorderseite des Trägerelements aufweist, so dass keine Totalreflektion mehr stattfindet. Der Einfallsstrahl tritt somit an der Vorderseite des Trägerelements wieder aus diesem aus.

Das erste holografische Gitter ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass alle Einfallsstrahlen, die über die Höhe und/oder Breite des Trägerelements variierende Einfallswinkel aufweisen können, zu innerhalb des Trägerelements parallel verlaufenden Strahlen umgelenkt werden. Es ist somit möglich, den Projektor in vertikaler Richtung unterhalb oder oberhalb des Trägerelements anzuordnen. Bei einem unterhalb des Trägerelements angeordneten Projektor nimmt der Einfallswinkel von unten nach oben über die Höhe des Trägerelements zu. Hierbei ist der Einfallswinkel der Winkel zwischen Einfallsstrahl und einem Lot auf das Trägerelement. Ebenso ist es möglich, bei einem entsprechend ausgebildeten ersten holografischen Gitter den Projektor seitlich versetzt zu dem Trägerelement anzuordnen.

Da das bzw. die holografisch-optischen Elemente des Projektionsschirms vorzugsweise ebenfalls ein Beugungsgitter aufweisen, ist es möglich, das zweite holografische Gitter innerhalb der holografisch-optischen Elemente anzuordnen. Das in den holografisch-optischen Elementen vorgesehene Beugungsgitter kann somit derart ausgestaltet sein, dass es das zweite holografische Gitter ersetzt.

Die Herstellung der holografischen Gitter erfolgt vorzugsweise durch Belichtung eines lichtempfindlichen Films. Bei der Belichtung werden zwei Strahlengänge überlagert. Hierdurch entsteht ein Inferenzmuster auf dem Film. Durch Entwickeln des Films ist ein holografisches Gitter erzeugt. Zur Herstellung des ersten holografischen Gitters wird der Film mit einem ersten Strahlerbündel belichtet, dessen Einfallswinkel dem Einfallswinkel des von dem Projektor erzeugten Einfallstrahls, bezüglich des Trägerelements entspricht. Eine zweite Lichtquelle erzeugt beispielsweise paralleles Licht in einem Winkel zu dem Film, der dem für die Totalreflektion innerhalb des Trägerelements erforderlichen Totalreflektionswinkel entspricht. Bei relativ kleinen zu erzeugenden holografischen Gittern kann eine Linse bzw. Linsenanordnung in dem entsprechenden Strahlengang hervorgerufen werden, um als Einfallsstrahlen Strahlen zu erzeugen, die den vom Projektor abgegebenen Strahlen entsprechen. Es ist somit bei relativ kleinen holografischen Gittern, die im Allgemeinen eine Kantenlänge von 30 cm-50 cm nicht übersteigen möglich, das gesamte Gitter durch eine Beleuchtung (one-shot-Verfahren) herzustellen. Beim one-shot-Verfahren wird das holografische Gitter somit durch die Überlagerung einer ebenen Welle und einer Kugelwelle erzeugt.

Insbesondere bei größeren holografischen Gittern werden diese in einzelne Gitterelemente unterteilt, die nacheinander belichtet werden. Zur Erzeugung jedes einzelnen Gitterelements kann hierbei der Winkel zwischen den beiden einfallenden Strahlenbündeln verändert werden. Ferner ist dadurch bereits auch eine kontinuierliche Belichtung des Films möglich, bei der die beiden Strahlengänge relativ zum Film bewegt werden.

Das zweite holografische Gitter wird prinzipiell auf die selbe Weise wie das erste holografische Gitter hergestellt. Die beiden verwendeten Strahlenbündel weisen einerseits die Richtung des Strahlengangs innerhalb des Trägerelements und andererseits die gewünschte Richtung des Ausfallstrahls, d. h. des aus dem Trägerelement austretenden Strahls auf.

Das zweite holografische Gitter ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die aus dem Trägerelement nach der Totalreflexion austretenden Ausfallstrahlen divergent sind. Da aufgrund der Ausgestaltung des zweiten holografischen Gitters der Einfallswinkel der Strahlung bezüglich der holografisch-optischen Elemente festgelegt ist, müssen die einzelnen holografisch-optischen Elemente entsprechend diesen Einfallswinkeln ausgebildet sein. Da bei der Ausführungsform der Winkel, in dem die Ausfallstrahlen auf die holografisch-optischen Elemente auftreffen, variieren, müssen auch die holografisch-optischen Elemente unterschiedlich ausgebildet sein.

Die Herstellung der holografisch-optischen Elemente erfolgt ebenfalls durch Überlagerung zweier paralleler Strahlengänge. Dies ist insbesondere in DE 198 25 192 anhand Fig. 7 beschrieben.

Die Orientierung der beiden holografischen Gitter ist vorzugsweise entgegengesetzt. Unter Orientierung bzw. Orientierungsrichtung ist hierbei diejenige Richtung zu verstehen, in der bei der Erzeugung des holografischen Gitters die Strahlung fortgeschritten ist. Vorzugsweise werden als erstes und zweites holografisches Gitter zwei identische Gitter hergestellt. Die beiden holografischen Gitter werden vorzugsweise folgendermaßen übereinandergelegt. Zuerst werden die beiden Gitter in identischer Ausrichtung aufeinandergelegt und sodann eins der beiden Gitter um eine Längsachse um 180° gedreht und wieder auf das andere Gitter gelegt. Entsprechende Punkte der beiden holografischen Gitter sind bei rechteckigen Gittern bezogen auf die mittlere Längsachse, d. h. die in Längsrichtung verlaufende Symmetrieachse, zueinander symmetrisch.

Das erste und/oder das zweite holografische Gitter sind vorzugsweise zwischen dem Trägerelement und der Abdeckplatte angeordnet. Bei dem Trägerelement handelt es sich insbesondere um eine Glasscheibe, die dünner als 3 mm, vorzugsweise dünner als 2 mm und besonders bevorzugt dünner als 1 mm ist. Eine dünne Glasscheibe weist den Vorteil auf, dass die Strahlen-Umlenkeinrichtung leicht ist. Da die Strahlen bei einem dünnen Trägerelement keine lange Strecke innerhalb des Trägerelements zurücklegen, weist ein dünnes Trägerelement ferner den Vorteil auf, dass zwischen dem auf die Strahlen-Umlenkeinrichtung auftreffenden Einfallsstrahl und dem aus dem Trägerelement austretenden Ausfallstrahl kein großer Versatz besteht. Hierdurch lassen sich schärfere Bilder erzeugen.

Der von der Lichtquelle kommende Einfallsstrahl wird in Abhängigkeit der Farbbestandteile, d. h. einzelner Wellenlängenbereiche des Lichtes, an dem erstem holografischen Gitterunterschiedlich gebeugt. Hierdurch entsteht eine gewisse Aufspaltung des Lichtes in die einzelnen Farbbestandteile. Auf Grund der Wegstrecke, die die einzelnen Strahlen innerhalb des Trägerelementes bis zum Erreichen des zweiten holografischen Gitters zurücklegen, erfolgt ein Parallelversatz der einzelnen Farbbestandteile des Lichts. Das Vorsehen einer möglichst dünnen Scheibe als Trägerelement hat daher den Vorteil, dass der Parallelversatz minimiert ist.

Insbesondere sind hierdurch Farbverschiebungen vermieden bzw. verringert, die aufgrund unterschiedlicher Beugung der einzelnen Wellenlängenbereiche, d. h. die einzelnen Farben des Lichts auftreten. Je länger die von einem Strahl innerhalb des Trägerelements zurückgelegte Strecke ist, desto weiter werden die einzelnen Farben aufgespalten. Dies kann zu verschwommenen Bildern führen.

Vorzugsweise ist auch das mindestens eine holografisch-optischen Element zwischen dem Trägerelement und der Abdeckplatte angeordnet. Der Bildschirm bildet somit vorzugsweise zusammen mit der Strahlen-Umlenkeinrichtung eine Einheit aus dem Trägerelement, dem ersten holografischen Gitter, dem zweiten holografischen Gitter, den holografisch-optischen Elementen und der Abdeckplatte.

Nachfolgen wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische prinzipielle Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionssystems,

Fig. 2 eine schematische prinzipielle Seitenansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Strahlen-Umlenkeinrichtung,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines einzelnen holografisch-optischen Elements,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht des in Fig. 3 dargestellten holografisch-optischen Elements,

Fig. 5 eine Prinzipskizze der Herstellung eines holografisch-optischen Elements, und

Fig. 6 eine Prinzipskizze der Beugungseigenschaften eines holografisch-optischen Elements bei parallel einfallendem Licht.

Von einem Projektor 10 wird ein Bild auf einem Projektionsschirm 12 abgebildet. Durch den Projektionsschirm wird das von dem Projektor 10 abgegebene Licht in Richtung eines Betrachters 16 abgelenkt. In Fig. 1 sind als Beispiel zwei Strahlenbündel 18, 20 dargestellt, die jeweils sämtliche Farbinformationen eines von dem Farbbündel dargestellten Bildbereichs aufweisen.
Der Projektionsschirm 12 weist ein Trägerelement 22 aus transparentem Material auf. Bei dem Trägerelement 22 handelt es sich vorzugsweise um eine dünne Glasscheibe, die insbesondere dünner als 1 mm ist. Auf einer in Richtung des Betrachters 16 weisenden Vorderseite des Trägerelements 22 sind zwei holografische Gitter 24, 26 angeordnet. Die beiden holografischen Gitter 24, 26 sind beispielsweise durch Aufkleben auf dem Trägerelement befestigt. Die Ausrichtung der beiden holografischen Gitter 24, 26 erfolgt derart, dass das erste holografische Gitter 24 gegenüber dem zweiten holografischen Gitter 26 eine unterschiedliche Orientierung aufweist. Auf dem ersten holografischen Gitter 24, d. h. zwischen dem ersten holografischen Gitter 24 und dem Betrachter 16 ist ein holografisch-optische Elemente aufweisender Film 28 befestigt. Sowohl die holografischen Gitter 24, 26 als auch der die holografisch-optischen Elemente tragende Film 28 weisen jeweils einen belichteten Film auf, wobei durch die Belichtung ein Beugungsgitter erzeugt ist. Diese Filme sind zwischen dem Trägerelement 22 und einer Abdeckplatte 23 angeordnet.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Strahlenverläufe ist die Brechung an der Abdeckplatte 23 nicht berücksichtigt. Einfallendes Licht in Form von Strahlenbündeln 18, 20 wird von dem ersten holografischen Gitter 24 derart gebeugt, dass die Strahlen 30 erzeugt werden, die innerhalb des Trägerelements 22 zueinander parallel verlaufen. Die Beugungseigenschaften des ersten holografischen Gitters 24 variieren somit in vertikaler Richtung, da die Strahlen der Strahlenbündel 18, 20 in unterschiedlichen Einfallswinkeln α₁, α₂, α₃, α₄ auf das erste holografische Gitter 24 auftreffen und somit unterschiedlich gebeugt werden müssen, um zueinander parallel verlaufende Strahlen 30 zu erzeugen. Da es sich bei dem Projektor 10 quasi um eine Punktlichtquelle handelt, die unterhalb des Projektionsschirms 12, beispielsweise in horizontaler Richtung in dessen Mitte, angeordnet ist, variieren die Einfallswinkel auch in horizontaler Richtung. Das erste holografische Gitter 24 weist somit auch in horizontaler Richtung unterschiedliche Beugungseigenschaften auf, so dass sämtliche innerhalb des Trägerelements 22 verlaufende Strahlen, die durch das erste holografische Gitter 24 gebeugt wurden, zueinander parallel verlaufen.
Die zueinander parallel verlaufenden Strahlen 30 weisen gegenüber einer ebenen Rückseite 32 des Trägerelements 22 einen Winkel auf, so dass an der Rückseite Totalreflektion in zueinander parallel verlaufende Strahlen 34 stattfindet. Die Strahlen 34 werden von dem zweiten holografischen Gitter 26, dessen Orientierung sich gegenüber dem ersten holografischen Gitter 24, vorzugsweise um 180° unterscheidet, gebeugt. Die Beugung der einzelnen Strahlen 34 ist hierbei derart, dass die Strahlen unter einem definierten Winkel auf die die holografisch-optischen Elemente tragende Ebene einfallen (Fig. 1). Von der die holografisch-optischen Elemente tragenden Filmebene 28 wird sodann, wie später anhand der Fig. 3-5 beschrieben, ein Bild erzeugt, das in einer Ebene 14 oder beispielsweise 14' abgebildet wird.
Die einzelnen holografisch-optischen Elemente, die in der Filmebene 28 angeordnet sind, weisen eine Vielzahl von Rasterlinsen (Fig. 3 und 4) auf, so dass das von dem Projektionsschirm 12 abgegebene Licht gestreut wird. Dies hat zur Folge, dass innerhalb eines gewissen Winkelbereichs ein Bild sichtbar ist. Dieser Bereich ist in Fig. 1 dargestellt, so dass ein Bild von einem Betrachter 16 bis 16' betrachtet werden kann.
Der Projektionsschirm 12 ist für in Fig. 1 von links kommendes Licht sämtlicher Wellenlängenbereiche durchsichtig. In Fig. 1 von rechts kommendes Licht wird nur reflektiert, wenn es in den entsprechendenden Winkeln α auf den entsprechenden Teil des Projektionsschirms auftrifft. In anderen Winkeln auftreffendes Licht tritt durch den Projektionsschirm hindurch.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Strahlen-Umlenkeinrichtung 36. Die Strahlen-Umlenkeinrichtung 36 weist ein Trägerelement 22 und eine Abdeckplatte 23 aus transparentem Material, vorzugsweise Glas und zwei zwischen dem Trägerelement 22 und der Abdeckplatte 23 angeordnetes holografisches Gitter 24, 26 auf. Die Strahlen 40, 42 werden an der Oberfläche der Abdeckplatte 23 in Strahlen 41, 45 gebrochen, die einen Winkel zu den Strahlen 40 bzw. 42 aufweisen. Die Brechung erfolgt auf Grund des Mediumsübergangs. Durch das erste holografische Gitter 24 erfolgt ein Beugen von eintreffenden Strahlen 40, 42 in zueinander parallele Strahlen 30, die an der Rückseite 32 des Trägerelements 22 in Strahlen 34 total reflektiert werden. Die Strahlen 34 verlaufen wiederum parallel zueinander.
Das zweite Gitter 26, durch das die von der Rückseite 32 des Trägerelements 22 reflektierten Strahlen 34 gebeugt werden, ist derart ausgebildet, dass sämtliche aus der Strahlen-Umlenkeinrichtung 36 austretenden Strahlen 44, 46 divergent sind. Nach der Beugung der Strahlen 34 durch das zweite Gitter 26 verlaufen die Strahlen 44, 46 wiederum durch die Abdeckplatte 23. An der Grenze zwischen der Abdeckplatte 23 und der umgebenden Luft erfolgt wiederum eine Beugung auf Grund des Mediumsübergangs. Da das zweite holografische Gitter 26 eine sich in vertikaler Richtung ändernde Gitterstruktur aufweist, ändern sich die Austrittswinkel β₁, β₂, der Strahlen 44, 46 in vertikaler Richtung über das zweite holografische Gitter 26. Auch in horizontaler Richtung ändern sich die Austrittswinkel über die Breite des zweiten holografischen Gitters 26. Die Beugungscharakteristik des zweiten holografischen Gitters 26 ändert sich somit auch über die Breite der Strahlen-Umlenkeinlichtung 36.
Die Herstellung der holografischen Gitter erfolgt durch Belichtung eines Films mit zwei in einem Winkel zueinander angeordneten kohärenten Lichtbündeln. Durch die Interferenz dieser beiden Lichtbündel wird auf dem Film ein Gitter erzeugt. Dies wird sodann durch Entwickeln des Films fixiert. Zur Erzeugung des ersten holografischen Gitters 24 weisen die beiden sich überlagernden Strahlen einerseits die Richtung des Strahlengangs des von dem Projektor kommenden Lichts und andererseits die Richtung des Strahlengangs 30 innerhalb des Trägerelements auf. Um ein holografisches Gitter zu erzeugen, das über seine Länge und Breite eine unterschiedliche Beugungscharakteristik aufweist, muss somit die Richtung eines der beiden Strahlengänge, mit denen der Film belichtet wird, geändert werden. Das zweite holografische Gitter 26, 38 wird entsprechend erzeugt.
Anhand der Fig. 3-5 wird im Folgenden der Aufbau sowie die Herstellung der einzelnen holografisch-optischen Elemente beschrieben, der in Projektionsebene 28 angeordneten holografisch-optischen Elemente. Die einzelnen holografisch- optischen Elemente 52 weisen hierbei eine Kantenlänge von etwa 10 mm-30 mm auf und sind beispielsweise quadratisch ausgebildet. Eine Vielzahl von in einer Ebene angeordnete holografisch-optischen Elementen bildet die Projektionsebene 28. Die holografisch-optischen Elemente 52 weisen eine Filmebene 54 auf, in der das Beugungsgitter vorhanden ist, durch das die von dem zweiten holografischen Gitter 26 kommenden Strahlen unterschiedlich stark gebeugt werden. Die Beugung erfolgt hierbei in Richtung des Betrachters 16, 16' (Fig. 1). Auf einer Rückseite der holografisch-optischen Elemente 52 sind mehrere Zylinderlinsen 56 vorgesehen, die parallel zueinander in einer Ebene angeordnet sind, so dass eine Rasterzylinderlinse 58 gebildet ist. Anstelle einzelner stabförmiger Zylinderlinsen 56 sind auch eine entsprechende Oberfläche aufweisende Folien oder dgl. verwendbar. Von den Zylinderlinsen 56 wird das zu projizierende Bild in den Fokallinien der einzelnen Zylinderlinsen 56 abgebildet. Für den Betrachter sind somit parallel zueinander verlaufende Fokallinien sichtbar. Aufgrund der geringen Größe der Zylinderlinsen 56, die vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweisen und des gegenüber dem Durchmesser der Zylinderlinsen großen Abstandes des Betrachters 16 zu dem Projektionsschirm 12 sind für den Betrachter keine getrennten Fokallinien mehr erkennbar, so dass dieser ein geschlossenes Bild sieht.
Die Herstellung des Beugungsgitters in dem Film 54 erfolgt, wie vorstehend anhand der holografischen Gitter beschrieben, durch zwei parallele Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Einfallswinkel (Fig. 5). Das parallele Licht 60 ist senkrecht zum Film 54 ausgerichtet. Das parallele Licht 62 wird unter einem Winkel γ auf den Film 54 gerichtet. Der Winkel γ entspricht dem Winkel zwischen dem von dem holografischen Gitter 26 kommenden Strahl und der Projektionsebene 28. Durch den Winkel γ des zur Belichtung des Films 54 verwendeten Lichts 62 ist somit die vertikale Lage des holografisch-optischen Elements 52 in der Projektionsebene 28 festgelegt.
Durch die Überlagerung des parallelen kohärenten Lichts 60 und des parallelen kohärenten Lichts 62, bildet sich auf dem Film 54 ein Interferenzmuster. Durch Entwickeln des Films wird ein Beugungsgitter hergestellt. Eine detaillierte Beschreibung der Herstellung sowie der Anordnung einzelner holografisch- optischer Elemente auf einem Projektionsbildschirm ist in DE 198 25 192, insbesondere anhand der Fig. 3-6 enthalten.
In Fig. 6 ist ein einzelnes holografisch-optisches Element 52 dargestellt, das in Fig. 6 von links mit weißem Licht beleuchtet wird. Hierbei handelt es sich um den von dem zweiten holografischen Gitter 26 in Richtung der Projektionsebene 28, in der sich die holografisch-optischen Elemente 52 befinden, abgegebenen Strahl. In dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel handelt es sich um weißes Licht, das sich aus den drei Strahlen rot, blau und grün zusammensetzt, wobei der rote Strahl durch eine gepunktete, der blaue Strahl durch eine gestrichelte und der grüne Strahl durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist. Das in dem holografisch-optischen Element 52 enthaltene Beugungsgitter beugt die ankommenden Strahlen in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge unterschiedlich, so dass ein roter Lichtkegel 64, ein blauer Lichtkegel 66 und ein grüner Lichtkegel 68 erzeugt werden. In einem Bereich 70, in dem sich alle drei Lichtkegel überschneiden, ist für einen Betrachter somit wieder weißes Licht zu sehen. Die außerhalb des Bereichs 70 liegenden Bereiche bewirken somit Farbverfälschungen an den Grenzen einander benachbarter holografischoptischer Elemente. Bei herkömmlichen Anforderungen an derartige Projektionsschirme sind diese Verfälschungen jedoch nicht störend, so dass die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche des roten, blauen und grünen Lichts bei der Herstellung der holografisch-optischen Elemente nicht berücksichtigt werden muss.
Auch bei der Herstellung der holografischen Gitter 24, 26, 28 muss die wellenlängenabhängige Beugungscharakteristik der Gitter nicht berücksichtigt werden. Wenn keine Berücksichtigung erfolgt, erfolgt eine geringe Farbaufspaltung des von dem Projektor 10 kommenden Lichts. Dies ist bei herkömmlichen Anforderungen jedoch für den Betrachter 16 nicht störend.
Um ein Divergieren der einzelnen Farbbündel 64, 66, 68 zu vermeiden, kann anstelle eines Projektors 10, der weißes Licht erzeugt ein Projektor verwendet werden, der Lichtbündel unterschiedlicher Farbauszüge erzeugt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen üblichen RGB-Projektor. Ein derartiger Projektor erzeugt in horizontalem Abstand zueinander Lichtbündel der einzelnen Farbauszüge. Der horizontale Abstand der Lichterzeugung der einzelnen Farbbündel ist hierbei derart gewählt, dass die einzelnen Farbbündel nach der Beugung in dem ersten und zweiten holografischen Gitter 24 und 26 bzw. 28 und dem in den holografisch-optischen Elementen enthaltenen Beugungsgittern zusammenfallen. Aus dem holografisch-optischen Element tritt sodann nur ein gemeinsames Farbbündel, das sämtliche Farbanteile des entsprechenden Bildbereichs aufweist aus.
Anstelle eines RGB-Projektors kann auch ein Projektor vorgesehen werden, der die einzelnen Farbauszüge auf elektronischem Weg trennt und zueinander versetzt abgibt. Dies kann durch entsprechende Linsen in dem Projektor erfolgen.
Durch das Vorsehen von Projektoren, die mehrere Lichtbündel der einzelnen Farbauszüge erzeugen, kann ein erheblich klares und farbechteres Bild erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Projektionssystem kann beispielseise auch unmittelbar an eine Wand gehängt werden. Beispielsweise kann hinter dem erfindungsgemäßen Projektionsschirm ein Gemälde angeordnet sein, so dass bei ausgeschaltetem Projektor das Gemälde sichtbar ist. Um zu vermeiden, dass von dem Gemälde oder der hinter dem Projektionsschirm angeordneten Wand Licht von der Rückseite durch den Projektionsschirm reflektiert wird und dadurch die Helligkeit und Klarheit des Bildes beeinträchtigt wird, ist vorzugsweise zwischen dem erfindungsgemäßen Projektionsschirm und der Wand bzw. dem Gemälde etc. ein schaltbarer Absorber, wie ein Flüssigkristallschirm, vorgesehen. Der schaltbare Absorber wird beispielsweise automatisch beim Einschalten des Projektors aktiviert.

Claims

1. Projektionssystem zum Darstellen von Bildern durch Aufprojektion, mit einem Projektor (10) zur Erzeugung des darzustellenden Bildes auf einem Projektionsschirm (12) mit in einer Projektionsebene (28) angeordneten holografisch-optischen Elementen (52) und einer Strahlen-Umlenkeinrichtung (36) zur Umlenkung der von dem Projektor (10) erzeugten Einfallsstrahlen (18, 20) in Richtung der Projektionsebene (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen-Umlenkeinrichtung (36) nur vom Projektor (10) in einem Einfallswinkelbereich (α) auftreffende Einfallsstrahlen (18, 20) in Richtung der Projektionsebene (28) reflektiert und übriges Licht durchlässt.

2. Projektionsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen-Umlenkeinrichtung (36) ein Trägerelement (22) aus transparentem Material aufweist, das ein erstes und ein zweites holografisches Gitter (24, 26) mit unterschiedlicher Orientierung trägt.

3. Projektionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holografische Gitter (24) auf einer in Richtung des Projektors (10) weisenden Vorderseite des Trägerelements (22) angeordnet ist und die Einfallsstrahlen (18, 20) in einen Totalreflektionswinkel umlenkt, so dass an einer Rückseite (32) des Trägerelements (22) Totalreflektion der Einfallsstrahlen (18, 20) auftritt.

4. Projektionssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste holografische Gitter (24) derart ausgebildet ist, dass es alle Einfallsstrahlen (18, 20) mit über die Höhe und/oder Breite des Trägerelements (22) variierenden Einfallswinkeln (α) zu innerhalb des Trägerelements parallel verlaufenden Strahlen (30) umlenkt.

5. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite holografische Gitter (26) derart ausgebildet ist, dass alle aus dem Trägerelement (22) austretenden Ausfallsstrahlen (44, 46) divergieren.

6. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite holografische Gitter eine Vielzahl von Gitterelementen aufweist, wobei jedes Gitterelement einen begrenzten Winkelbereich umlenkt.

7. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement eine Dicke von weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm und besonders bevorzugt weniger als 1 mm aufweist.

8. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (10) eine Farbzerlegungseinrichtung zur Erzeugung unterschiedlicher Farbauszüge des Bildes aufweist.

9. Projektionssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (10) eine Verschiebungseinrichtung aufweist, um die Ausgangspunkte der einzelnen Farbauszugs- Lichtbündel zu einander zu versetzen.