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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der
koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2010-0084911 , eingereicht am 31.08.2010.
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine digitale Hologramm-Bildwiedergabevorrichtung zur Wiedergabe bzw. zum Abspielen digitaler Hologramm-Videodaten zum Abspielen dreidimensionaler Videobilder. Insbesondere betrifft die vorliegende Anmeldung eine digitale Hologrammwiedergabevorrichtung, in welcher die nullte Beugungsordnung entfernt ist, zur Optimierung der Wiedergabe und des Abspielens der dreidimensionalen Hologramm-Videodaten.
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In letzter Zeit wurden Technologien und Forschungen zur Herstellung und Wiedergabe dreidimensionaler (3D) Bilder und Videos aktiv entwickelt. Da das Medium der 3D-Bilder bzw. Videos ein neues Konzeptmedium für virtuelle Räume ist, kann es die visuelle Information besser wiedergeben und führt zu Wiedergabevorrichtungen einer neuen Generation. Das herkömmliche 2D-Bildsystem zeigt lediglich eine Projektion des Bildes und der Videodaten in einer flachen Ebene, doch das 3D-Bildsystem kann dem Betrachter die vollständig realen Bilddaten wiedergeben. Ein Beispiel für die 3D-Bild-/Videotechnik sind die True North Bild-/Videotechnologien.
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Typischerweise existieren drei Verfahren zur Wiedergabe von 3D-Bildern bzw. Videos: das stereoskopische Verfahren, das Hologrammverfahren und das Integralbildverfahren. Unter diesen verwendet das holografische Verfahren Laserstrahlen, so dass es möglich ist, die 3D-Bilder bzw. Videos mit bloßem Auge zu betrachten. Das holografische Verfahren ist das beste Verfahren, da es exzellente stereoskopische Betrachtungseigenschaften hat, ohne dass es den Betrachter ermüdet.
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Zur Herstellung einer Aufzeichnung der Phase der Lichtwelle an jedem Bildpunkt verwendet die Holographie einen Referenzstrahl, der mit dem Licht von der Szene oder dem Objekt kombiniert wird (dem Objektstrahl). Falls diese zwei Strahlen kohärent sind, erzeugt die optische Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl aufgrund der Überlagerung der Lichtwellen eine Abfolge von Intensitätsstreifen, die auf einem herkömmlichen fotografischen Film aufgezeichnet werden können. Diese Streifen formen eine Art von Beugungsmuster auf dem Film, welches Hologramm genannt wird. Das zentrale Ziel der Holografie besteht darin, bei Beleuchtung des aufgezeichneten Gitters zu einem späteren Zeitpunkt durch einen Ersatz-Referenzstrahl den ursprünglichen Objektstrahl zu rekonstruieren (oder zu reproduzieren), so dass ein 3D-Bild bzw. Video erzeugt wird.
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Eine neuere Entwicklung ist die computergenerierte Holografie (oder CGH), welche ein Verfahren zur digitalen Erzeugung holografischer Interferenzmuster ist. Ein holografisches Bild kann z. B. erzeugt werden durch digitale Berechnung eines holografischen Interferenzmusters und Drucken desselben auf eine Maske oder einen Film zur nachfolgenden Beleuchtung durch eine geeignete kohärente Lichtquelle. Das holografische Bild kann durch eine holografische 3D-Anzeige wiedergegeben werden, ohne dass jedes Mal ein „Abzug” des holografischen Interferenzmusters angefertigt werden muss.
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Computergenierte Hologramme weisen den Vorteil auf, dass die zu zeigenden Objekte überhaupt nicht körperlich existieren müssen. Falls holografische Daten existierender Objekte optisch erzeugt werden, jedoch digital aufgezeichnet und verarbeitet werden und nachfolgend auf einer Anzeige angezeigt werden, wird dies auch als CGH bezeichnet. Beispielsweise wird ein holografisches Interferenzmuster durch ein Computersystem erzeugt, und das erzeugte Muster wird an einen räumlichen Lichtmodulator wie etwa einen LCSML (Liquid Crystal Spatial Light Modulator oder räumlicher Flüssigkristall-Lichtmodulator) weitergegeben und anschließend wird das 3D-Bild oder Video entsprechend dem holografischen Interferenzmuster rekonstruiert bzw. reproduziert durch Bestrahlen des räumlichen Lichtmodulators mit dem Referenzstrahl. 1 ist eine schematische Zeichnung zur Darstellung einer digitalen holografischen Bild-/Videoanzeigevorrichtung unter Verwendung computergenerierter Holografie gemäß dem Stand der Technik.
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Gemäß 1 erzeugt ein Computer 10 ein holografisches Interferenzmuster anzuzeigender Bild-/Videodaten. Das erzeugte holografische Interferenzmuster wird an einen SLM (Spatial Light Modulator oder räumlicher Lichtmodulator) 20 gegeben. Der SLM 20 kann als Transmissions-Flüssigkristallanzeigevorrichtung das holografische Interferenzmuster anzeigen. An einer Seite des SLM 20 ist eine Laserlichtquelle 30 zur Erzeugung eines Referenzstrahls angeordnet. Um einen Referenzstrahl 90 von der Laserlichtquelle 30 auf die gesamte Oberfläche des SLM 20 zu richten, können nacheinander ein Strahlaufweiter 40 und ein Linsensystem 50 angeordnet sein. Der Referenzstrahl 90 aus der Laserlichtquelle 30 bestrahlt von einer Seite her den SLM 20, passiert den Strahlaufweiter 40 und dann das Linsensystem 50. Da der SLM 20 eine Transmissions-Flüssigkristallanzeigevorrichtung ist, wird ein 3D-Bild/Video 80 entsprechend dem holografischen Interferenzmuster an der anderen Seite des SLM 20 rekonstruiert und reproduziert.
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Gleichzeitig gibt es einige Komponenten des Referenzstrahls 90, die nicht durch das holografische Interferenzmuster gebeugt werden, sondern das holografische Interferenzmuster lediglich durchlaufen. Diese Komponenten werden die „DC”-Komponente oder die „Nullte Beugungsordnung” genannt. Die nullte Beugungsordnung, die das holografische Interferenzmuster durchläuft, wird mit den reproduzierten Bildern überlagert und verschlechtert die Qualität des Bildes/des Videos. Bis jetzt wurden einige Untersuchungen durchgeführt, um die nullte Beugungsordnung in der digitalen Holografie zu eliminieren.
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Beispielsweise existiert ein Verfahren, in welchem die nullte Beugungsordnung reduziert wird, indem sie durch eine konkave Linse vor dem SLM gestreut wird (siehe OpticsInfoBase, Juli 2009, „Experimental modules covering imaging, diffraction, Fourier optics and polarization based an a liquid-crystal cell SLM”). Das reproduzierte Bild kann jedoch kleiner sein als das Originalbild. Bei einem weiteren Verfahren wird die Intensität der nullten Beugungsordnung vermindert durch Verwendung eines Polarisators vor dem SLM (siehe Otics Express, September 2008, „Hologram optimization for SLM-based reconstruction with regard to polarization effects”). In diesem Fall wird die Intensität des reproduzierten Bildes ebenfalls verringert. In einem noch weiteren Verfahren kann die nullte Beugungsordnung durch mechanische Methoden eliminiert werden. In diesen Fällen kann das reproduzierte Bild beschädigt werden, oder diese Verfahren sind für große 3D-Bilder überhaupt nicht anwendbar.
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US 2007/0 188 857 A1 betrifft räumliche Lichtmodulatoren, auf denen Computer generierte Hologramme angezeigt werden können und die zur Vergrößerung des Bildes eine dahinter möglichst nahe einem Betrachter angeordnete Streuplatte enthalten.
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US 2001/0 053 004 A1 betrifft eine holografische Diffusionsplatte vom Reflexionstyp, die einen Haze Wert von 20% bis 60% aufweist.
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EP 1 292 134 A2 betrifft ein Laserprojektionssystem, bei dem eine bewegte Diffusionsplatte zur Speckle-Reduzierung vor einem SLM zwischen einer Linse zur Strahlaufweitung und einer Strahlformungsoptik mit einem Fliegenaugenintegrator angeordnet ist.
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WO 2010/001 920 A1 bzw.
US 2010/0 283 940 A1 betrifft eine Flüssigkristallanzeige mit guten Kontrasteigenschaften bei senkrechtem wie bei schrägen Blickwinkeln, wobei die Beleuchtungseinheit eine Diffusionsplatte einen Haze Wert von 20% bzw. 40% aufweist.
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Zur Überwindung der vorstehend erwähnten Nachteile ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine digitale Hologramm-Bildwiedergabevorrichtung zu schaffen, deren 3D-Bildqualität durch wirksame Eliminierung der nullten Beugungsordnung verbessert ist.
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Das vorstehend genannte Ziel wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht.
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In der digitalen Hologramm-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die nullte Beugungsordnung selektiv und wirksam eliminiert werden. Insbesondere kann die Intensität der nullten Beugungsordnung verringert werden, ohne dass eine Störung oder Verformung des 3D-Bildes/-Videos auftritt, das wiedergegeben werden soll, so dass ein klares 3D-Bild/Video unter Verwendung einer einfachen digitalen Hologramm-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
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Die beigefügten Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der Erfindung und stellen einen Bestandteil dieser Beschreibung dar, und sie zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der schriftlichen Beschreibung zur Erläuterung der Lehre der Erfindung.
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1 ist eine schematische Darstellung einer digitalen holografischen Bild-/Video-Wiedergabevorrichtung unter Verwendung computergenerierter Holografie gemäß dem Stand der Technik.
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2 ist eine schematische Darstellung einer digitalen holografischen Bild-/Video-Wiedergabevorrichtung unter Verwendung computergenerierter Holografie gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3A bis 3D sind 3D-Diagramme zur Darstellung der Eigenschaften des Bildes/Videos entsprechend dem Haze-Wert der Diffusionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine schematische Darstellung einer digitalen holografischen Bild-/Video-Wiedergabevorrichtung unter Verwendung einer Transmissions-Flüssigkristallanzeigevorrichtung als räumlichen Lichtmodulator der computergenierten Holografie, gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Anhand der beigefügten 2 bis 4 sollen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. 2 ist eine schematische Darstellung einer digitalen holografischen Bild-/Video-Bildwiedergabevorrichtung unter Verwendung computergenerierter Holografie, welche der vorliegenden Erfindung entspricht.
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Gemäß 2 umfasst eine digitale Hologramm-Bildwiedergabevorrichtung einen Computer 100 zur Erzeugung eines holografischen Interferenzmusters von 3D Bild-/Videodaten, und einen SLM (Spatial Light Modulator oder räumlicher Lichtmodulator) 200 zum Empfang des holografischen Interferenzmusters von dem Computer 100 und zur Darstellung des holografischen Interferenzmusters. Eine Lichtquelle 300 zur Erzeugung eines Referenzstrahls 900 ist auf einer Seite des SLM 200 angeordnet. Der Referenzstrahl 900 wird vorzugsweise aus kohärentem Licht bestehen. Daher kann die Lichtquelle 300 eine Laserlichtquelle oder eine kollimierte LED umfassen. Zwischen der Lichtquelle 300 und dem SLM 200 sind aufeinanderfolgend ein Strahlaufweiter 400 und ein Linsensystem 500 zur Abstrahlung des Referenzstrahls auf die gesamte Oberfläche des SLM 200 angeordnet.
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Beispielsweise können die Lichtquelle 300 und der Strahlaufweiter 400 158 mm voneinander beabstandet sein, und der Strahlaufweiter 400 und das Linsensystem 500 können 100 mm voneinander beabstandet sein. Ferner können das Linsensystem 500 und der SLM 200 90 mm voneinander beabstandet sein. Das kohärente Licht aus der Lichtquelle 300 kann ein Referenzstrahl 900 sein, der durch den Strahlaufweiter 400 einen großen Durchmesser erhält. Das Linsensystem 500 führt den Referenzstrahl 900 auf die gesamte Oberfläche des SLM 200. In diesem Fall kann das wiedergegebene 3D-Bild/Video 800 in dem Raum wiedergegeben werden, der 1397 mm von dem SLM 200 beabstandet ist.
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Zur Reduktion der Intensität der nullten Beugungsordnung des Referenzstrahls 900, der von dem SLM 200 nicht gebeugt wird, sondern den SLM 200 lediglich durchläuft, ist ferner eine Diffusionsschicht 700 zwischen der Lichtquelle 300 und dem 3D-Bild/Video 800 an einer geeigneten Stelle angeordnet. Weiter vorzugsweise kann die Diffusionsschicht 700 zwischen dem SLM 200 und dem 3D-Bild/Video 800 angeordnet sein, zwischen dem Linsensystem 500 und dem Strahlaufweiter 400, oder zwischen der Lichtquelle 300 und dem Strahlaufweiter 400.
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Die Diffusionsschicht 700 streut einfallendes Licht. Wenn Licht eine Ebene passiert, ist gemäß Gleichung 1 die Gesamttransmission definiert als ein Verhältnis der transmittierten Lichtmenge zu der Lichtmenge, die auf die Ebene fällt. Die Gesamttransmission umfasst die parallele Transmission und die gestreute Transmission. Die parallele Transmission ist die Lichtmenge, die in die Ebene eindringt und dann innerhalb eines vorbestimmten Winkels zum Einfallswinkel übertragen wird. Die gestreute Transmission ist die Lichtmenge, die in die Ebene eintritt und dann in einem Passierwinkel über den vorbestimmten Winkel hinaus übertragen wird.
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Gleichung 1
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Gesamttransmission (%) = (Transmittiertes Licht/Einfallendes Licht) × 100 = Parallele Transmission (Tp) + Gestreute Transmission (Td)
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Die Diffusionsschicht (oder Diffusionsplatte) ist eine optische Schicht mit einer Diffusions-Transmissionseigenschaft. Gemäß Gleichung 2 ist der Haze-Wert, der die Streufähigkeit der Diffusionsschicht 700 darstellt, definiert als der prozentuale Anteil der gestreuten Transmission zur Gesamttransmission.
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Gleichung 2
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Haze (%) = (Td/Ttotal) × 100
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3A bis 3D sind 3D-Diagramme zur Darstellung der Eigenschaften des Bildes/Videos entsprechend dem Haze-Wert der Diffusionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung. 3A ist ein 3D-Diagramm, das die Intensität des reproduzierten Bildes/Videos ohne Diffusionsschicht 700 darstellt. 3A ist ein 3D-Diagramm, das den Fall darstellt, in welchem die nullte Beugungsordnung überhaupt nicht eliminiert ist, so dass die nullte Beugungsordnung eine viel stärkere Intensität aufweist als das dargestellte Bild/Video. Das heißt, dass das korrekte 3D-Bild/Video nicht richtig betrachtet werden kann.
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3B ist ein 3D-Diagramm zur Darstellung der Intensität des Bildes/Videos, das dargestellt werden soll, wobei die Diffusionsschicht 700 mit einem Haze-Wert von 0% unmittelbar vor der Lichtquelle 300 angeordnet ist. Gemäß Gleichung 2 entspricht ein Haze-Wert von 0% einer Situation ohne Diffusionsschicht 700. Die Fälle, in denen keine Diffusionsschicht vorhanden ist, unterscheiden sich jedoch vollständig von den Fällen, in denen eine Diffusionsschicht mit einem Haze-Wert von 0% vorhanden ist. Da die gestreute Transmission definiert ist als die Lichtmenge, die über einen vorbestimmten Winkel bezüglich des Einfallswinkels hinweg gestreut wird, bedeutet das Vorhandensein einer Diffusionsschicht 700, dass das einfallende Licht zumindest etwas gestreut wird. D. h., in dem Fall, in welchem eine Diffusionsschicht 700 mit einem Haze-Wert von 0% vor der Lichtquelle 300 angeordnet wird, wird die Intensität der nullten Beugungsordnung stark reduziert, so dass es für den Betrachter möglich ist, das 3D-Bild/Video wahrzunehmen. 3C ist ein 3D-Diagramm zur Darstellung der Intensität des zu reproduzierenden Bildes/Videos, bei welchem eine Diffusionsschicht 700 mit einem Haze-Wert von 20% vor der Lichtquelle 300 angeordnet ist. Die Intensität der nullten Beugungsordnung ist deutlich reduziert, so dass es für den Betrachter möglich ist, das 3D-Bild/Video klar wahrzunehmen. Schließlich zeigt 3D ein 3D-Diagramm zur Darstellung der Intensität des darzustellenden Bildes/Videos, wobei eine Diffusionsschicht 700 mit einem Haze-Wert von 32% unmittelbar vor der Lichtquelle 300 angeordnet ist. Die nullte Beugungsordnung ist fast vollständig eliminiert, so dass es für den Betrachter möglich ist, das 3D-Bild/Video so wie das Original wahrzunehmen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die digitale Hologramm-Bildwiedergabevorrichtung eine Diffusionsschicht 700 mit einem Haze-Wert von 30% oder mehr zwischen der Lichtquelle 300 und dem Ausgabebild 300. Dies führt dazu, dass es möglich ist, selektiv die Stärke lediglich der nullten Beugungsordnung zu eliminieren. Da die Kohärenz-Eigenschaften des Referenzstrahls 900 zum Problem werden, wenn der Haze-Wert zu hoch ist, ist insbesondere der Haze-Wert vorzugsweise kleiner als 50%. In der besten Ausführungsform ist eine Diffusionsschicht 700, deren Haze-Wert zwischen 30% und 40% liegt, zwischen der Lichtquelle 300 und dem Strahlaufweiter 400 angeordnet, um die beste Qualität des reproduzierten Bildes/Videos zu erreichen.
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Im folgenden wird ein Beispiel erläutert, in welchem eine 3D-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Transmissions-Füssigkristallanzeigevorrichtung verwendet. 4 ist eine schematische Darstellung einer digitalen holografischen Bild-/Videowiedergabevorrichtung unter Verwendung einer Transmissions-Füssigkristallanzeigevorrichtung als räumlichem Lichtmodulator der computergenerierten Holografie gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 4 ist der SLM 200 eine Transmissions-Flüssigkristallanzeigevorrichtung. D. h., der SLM 200 umfasst ein oberes Substrat SU und ein unteres Substrat SD, welche ein transparentes Glassubstrat umfassen und einander zugewandt sind, und eine Flüssigkristallschicht LC, die zwischen ihnen angeordnet ist. Der SLM 200 empfängt holografische Interferenzmuster von dem Computer 100 oder einem Videoprozessor (nicht dargestellt) und stellt sie auf der Anzeigefläche dar. Das obere Substrat SU und das untere Substrat SD können jeweils eine Farbfilterschicht und eine Anzahl von Dünnschichttransistoren umfassen.
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Unter dem SLM 200 sind eine Hintergrundbeleuchtungseinheit BLU mit einer Lichtquelle 300 und eine optische Faser OF angeordnet. Die Lichtquelle 300 kann einen Satz von Laserdioden umfassen, mit einer roten Laserdiode R, einer grünen Laserdiode G und einer blauen Laserdiode B. In einem anderen Fall kann die Lichtquelle 300 einen Satz kollimierter LED's umfassen, mit roten, grünen und blauen kollimierten LED's. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle 300 eine Kombination anderer Farblichtquellen umfassen als rot, grün und/oder blau, oder sie kann eine einzige Lichtquelle wie etwa eine weiße Laserdiode oder eine weiße kollimierte LED umfassen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Lichtquelle 300 ein Satz aus roten, grünen und blauen Laserdioden.
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Zur gleichförmigen Führung des Referenzstrahls aus der Lichtquelle 300 über die Unterseite des SLM 200 kann eine optische Faser OF verwendet werden. Beispielsweise sind Laserdioden R, G und B auf einer Seite der Hintergrundbeleuchtungseinheit BLU angeordnet. Unter Verwendung der optischen Faser OF kann der Laserstrahl, der die Laserdioden R, G und B verlässt, auf solche Weise geführt werden, dass die Laserstrahlen auf die Unterseite des SLM 200 verteilt werden. Zu diesem Zweck verläuft die optische Faser OF über die gesamte Ebene des SLM 200. Ferner sind einige Bereiche der Umhüllung des Kerns der optischen Faser OF entfernt, um eine Anzahl von Lichtauslässen für den Laserstrahl zu schaffen, so dass es möglich ist, das kohärente Licht auf die gesamte Oberfläche des SLM 200 zu verteilen.
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Im Vergleich zu 3 spielt die optische Faser in der digitalen Hologramm-Wiedergabevorrichtung in 4 die Rolle eines Strahlaufweiters, der den Referenzstrahl auf die ebene Oberfläche des SLM 200 verteilt. Daher kann in 4 ferner eine optische Schicht 510 eingeschlossen sein, die wie das Linsensystem 500 in 3 wirkt. D. h., die optische Schicht 510 kann zwischen den SLM 200 und die optische Faser OF eingesetzt werden, so dass der Referenzstrahl der Oberfläche des SLM 200 entspricht und kohärent ist.
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Ferner kann eine Diffusionsschicht 700, deren Haze-Wert zwischen 30% und 40% gewählt ist, zur Eliminierung der nullten Beugungsordnung zwischen der Oberseite der Lichtauslässe OUT der optischen Faser OF und der Unterseite des SLM 200 angeordnet sein. Weiter vorzugsweise ist die Diffusionsschicht 700 zwischen der optischen Faser OF und der optischen Schicht 510 angeordnet. Obwohl dies in den Figuren nicht gezeigt ist, kann durch Bildung der Diffusionsschicht 700 aus kleinen Schichten diese an den Lichteinlässen IN angeordnet sein, an denen die Laserdioden R, G und B in Kontakt mit der optischen Faser OF stehen, so dass das kohärente Licht, das die nullte Beugungsordnung nicht bildet, in die optische Faser OF einfallen kann.
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In der digitalen Hologramm-Bildwiedergabevorrichtung, die erfindungsgemäß aufgebaut ist, werden die holografischen Interferenzmuster auf dem SLM 200 durch das Flüssigkristallanzeigefeld angezeigt. Durch Abstrahlen des Referenzstrahls von der Lichtquelle 300 aus Laserdioden R, G und B auf das Flüssigkristallanzeigefeld kann das 3D-Bild/Video in dem Raum über dem SLM 200 angezeigt werden. Insbesondere wegen der Diffusionsschicht 700, deren Haze-Wert aus einem Bereich zwischen 30% bis 40% ausgewählt ist, kann die nullte Beugungsordnung eliminiert oder reduziert werden, und somit erhält man ein 3D-Bild/Video mit herausragender Qualität.
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Während vorstehend eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, dass die Erfindung in anderen Ausführungsform verwirklicht werden kann, ohne dass von der Erfindungslehre oder wesentlichen Merkmalen derselben abgewichen wird. Es ist daher anzumerken, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaften Charakter haben und die Erfindung nicht beschränken sollen. Der Erfindungsgehalt wird durch die beigefügten Ansprüche definiert und nicht durch die Beschreibung der Erfindung beschränkt. Alle Veränderungen oder Abwandlungen oder Äquivalente innerhalb der Bedeutung und des Umfangs der Ansprüche sollen von der Erfindung erfasst sein.
