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Die Erfindung betrifft eine Lichtmodulationsvorrichtung für eine Anzeigeeinrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigeeinrichtung, zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen rekonstruierten Szenen, mittels der nach Einbau in eine Anzeigeeinrichtung die Gefährdung von die Anzeigeeinrichtung betrachtenden Personen durch die von einer Lichtquelleneinrichtung ausgehenden Lichtstrahlung vermieden wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Anzeigevorrichtung mit einer derartigen Lichtmodulationsvorrichtung.
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Lichtmodulationsvorrichtungen werden hauptsächlich zur Modulation von auftreffendem Licht in Anzeigeeinrichtungen, auch als Displays bezeichnet, verwendet. Derartige Lichtmodulationsvorrichtungen weisen Modulationselemente, sogenannte Pixel, auf, die das auftreffende Licht entsprechend ihrer Ansteuerung modulieren. Diese Modulationselemente werden durch eine steuerbare Schicht in der Lichtmodulationsvorrichtung gebildet, wobei diese meist auf der Verwendung von Flüssigkristallen (liquid crystals, LC) basiert. Es ist selbstverständlich auch möglich, in Anzeigeeinrichtungen Lichtmodulationsvorrichtungen einzusetzen, die nicht auf Flüssigkristallen sondern beispielsweise auf dem Prinzip des Electrowettings (Elektrobenetzung) oder der Verwendung von MEMS (micro-electro-mechanical systems) basieren.
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Lichtmodulationsvorrichtungen, insbesondere für die holographische Darstellung von zweidimensionalen (2D) und/oder dreidimensionalen (3D) rekonstruierten Szenen, werden meist mit Licht einer Lichtquelleneinrichtung beleuchtet, die hinreichend kohärentes Licht aussendet. Derartige einsetzbare Lichtquellen sind beispielsweise Laser oder auch LEDs (light emitting diode). Bei der Verwendung von Lasern sind jedoch erhöhte Sicherheitsmaßnahmen vorzusehen, da in dem Laser zugänglichen Bereich befindliche Personen durch das Laserlicht stark gefährdet werden können. Es kann beispielsweise zu Verbrennungen an Körperstellen von Personen kommen oder aber auch zu Augenschädigungen oder sogar ein Verlust des Augenlichts ist nicht auszuschließen, sollte das Laserlicht in die Augen von Personen gelangen. Aus diesem Grunde sind bei Lasern mit entsprechender Leistung geeignete Schutzmaßnahmen zu ergreifen, wie z.B. die Einhaltung von länderabhängigen Schutzvorschriften bei deren Verwendung.
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Bei der Sicherheit von zweidimensionalen (2D) Anzeigeeinrichtungen mit Lasern als Lichtquellen, wie beispielsweise Projektoren oder Laser-TV, wird die Lasersicherheit dadurch berücksichtigt, dass diese Anzeigeeinrichtungen üblicherweise eine Streufolie enthalten, die die Homogenität verbessern. Dadurch wirkt die Fläche der Anzeigeeinrichtung oder die Leinwand, auf die projiziert wird, wie eine räumlich inkohärent leuchtende Fläche, die nicht auf einen Punkt sondern ausgedehnt auf die Augen von Personen abgebildet wird.
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Eine andere Möglichkeit zur Erzielung einer hohen Lasersicherheit ist in der
DE 196 40 404 A1 offenbart. Die Vorrichtung zur Darstellung von Bildern auf einer Projektionswand weist eine Bilderzeugungseinrichtung und einen Laser als Lichtquelle auf, wobei die Bilderzeugungseinrichtung in zwei Betriebsarten geschaltet werden kann, von denen die erste die Normalbetriebsart ist und die zweite eine Betriebsart, in der die Laserstrahlung für Personen unschädlich ist. Die Bilderzeugungseinrichtung wird dabei in die zweite Betriebsart geschalten, wenn ein Sensor eine Person erkennt, die sich direkt im Strahlengang des Lasers befindet, um eine Augenschädigung zu vermeiden.
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Bei der Verwendung von holographischen Anzeigeeinrichtungen jedoch können keine derartigen oben erwähnten Streufolien verwendet werden, da für eine holographische Rekonstruktion kohärentes Licht benötigt wird. Die Kohärenz des Lichts wird aber durch derartige Streufolien reduziert oder sogar zerstört.
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In die Lichtmodulationsvorrichtung wird gewöhnlich ein Hologramm einkodiert, das bei Betrieb der Lichtmodulationsvorrichtung, mit anderen Worten bei Ansteuerung der Lichtmodulationsvorrichtung, eine Streuung des Lichts bewirkt und das Licht im Raum verteilt. Kritisch und gefährlich für Personen kann es jedoch werden, wenn die Lichtmodulationsvorrichtung oder die Ansteuerung der Lichtmodulationsvorrichtung ausfällt, versagt bzw. aussetzt und das gesamte Licht in den Fokus einer verwendeten Beugungsordnung, beispielsweise der 0. Beugungsordnung, gelangt bzw. fokussiert wird.
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Dies soll anhand eines Beispiels kurz erläutert werden. Eine holographische Anzeigeeinrichtung nach dem Stand der Technik weist eine Lichtquelleneinrichtung, die üblicherweise eine Laserlichtquelle ist, einen räumlichen Lichtmodulator, strahlablenkende Mittel sowie strahlformende Mittel, beispielsweise Linsen, auf. Der Aufbau und die Funktionsweise einer derartigen Anzeigeeinrichtung sind beispielsweise in der
DE 103 53 439 B4 beschrieben.
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Die Anzeigeeinrichtung und die Figuren der
DE 103 53 439 B4 sollen hier zur Veranschaulichung einer holographischen Anzeigeeinrichtung nach dem Stand der Technik und für die Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung herangezogen werden, wobei die
1 und
2 der vorliegenden Erfindung nur prinzipmäßig den für die Erfindung wichtigen Ausschnitt der Anzeigeeinrichtung der
DE 103 53 439 B4 darstellen soll. Die
1 zeigt dabei eine holographische Anzeigeeinrichtung
1 in der Seitenansicht. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die einzelnen Elemente bzw. Komponenten der Anzeigeeinrichtung
1 nicht dargestellt. Die Anzeigeeinrichtung
1 weist beispielsweise eine Lichtquelleneinrichtung, einen räumlichen Lichtmodulator und strahlablenkende Mittel und/oder strahlformende Mittel auf. Das in der Anzeigeeinrichtung
1 modulierte Licht verlässt diese in einem Lichtbündel
2 und beleuchtet ein virtuelles Betrachterfenster
3. Durch dieses virtuelle Betrachterfenster
3 ist eine dreidimensionale (3D) Szene
4 als holographische Rekonstruktion sichtbar, wenn ein Auge eines Betrachters mit dem Ort des virtuellen Betrachterfensters
3 zusammenfällt. Das virtuelle Betrachterfenster
3 befindet sich hier in der Fourierebene des räumlichen Lichtmodulators. Eine Feldlinse fokussiert das aus dem räumlichen Lichtmodulator austretende Licht, wobei der Fokus der Feldlinse in der Ebene des Betrachterfensters
3 liegt. In
2 ist dargestellt, wie das Lichtbündel
2 in Lichtrichtung nach der holographischen Anzeigeeinrichtung
1 einen Fokus F bildet, wenn der räumliche Lichtmodulator das Licht unmoduliert passieren lässt. Dieser Fall kann beispielsweise bei einer Fehlfunktion der holographischen Anzeigeeinrichtung
1 eintreten, bei der Steuermittel zur Ansteuerung des räumlichen Lichtmodulators und der strahlablenkenden Mittel nicht ordnungsgemäß funktionieren. Die Fokussierung des Lichtbündels
2 auf einen Fokus F hat Konsequenzen, die die Lasersicherheit der Anzeigeeinrichtung
1 betreffen und die Augen der Betrachter gefährden können. Einerseits ist alles Licht im Lichtbündel
2 auf den Fokus F konzentriert und kann somit vollständig ein Auge oder eine Augenpupille eines Betrachters treffen. Im Normalfall gemäß
1 ist das Licht auf die Fläche des Betrachterfensters
3 verteilt und trifft somit nur teilweise ein Auge oder eine Augenpupille eines Betrachters. Andererseits muss bei der Betrachtung der Lasersicherheit einer holographischen Anzeigeeinrichtung die Winkelausdehnung der verwendeten Lichtquelle berücksichtigt werden. Diese Winkelausdehnung geht gemäß Unfallverhütungsvorschrift Laserstrahlung BGV B2 in einen Korrekturfaktor C
6, der durch die Unfallverhütungsvorschrift vorgegeben wird, und in die Berechnung der maximal zulässigen Bestrahlung ein. Eine Lichtquelle mit kleiner Winkelausdehnung wird auf eine kleine Fläche auf der Netzhaut eines Auges abgebildet und ist somit gefährlicher als eine Lichtquelle mit größerer Winkelausdehnung der gleichen Leistung. Eine Lichtquelle mit kleiner Winkelausdehnung liegt vor, wenn keine streuenden optischen Elemente im Strahlengang des Laserlichts vorhanden sind. Dann wird die Lichtquelle beugungsbegrenzt punktförmig auf die Netzhaut des Auges abgebildet. Dagegen liegt unter anderem eine Lichtquelle mit großer Winkelausdehnung vor, wenn gemäß
1 eine dreidimensionale Szene
4 mit räumlicher Ausdehnung holographisch rekonstruiert und diese auf die Netzhaut des Auges abgebildet wird.
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Eine Fehlfunktion der holographischen Anzeigeeinrichtung kann somit zu einer Gefährdung insbesondere der Augen eines Betrachters durch Laserstrahlung führen.
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Deshalb liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nun darin, eine Anzeigeeinrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen zu schaffen, mittels der eine Gefährdung von Betrachtern, insbesondere eine Gefährdung der Augen von Betrachtern, durch leistungsstarke Lichtquellen auch bei einer Fehlfunktion der Anzeigevorrichtung bzw. einer Lichtmodulastionsvorrichtung vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre der Patentansprüche 1 und 8 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung für eine Anzeigeeinrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigeeinrichtung, zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen rekonstruierten Szenen weist wenigstens einen räumlichen, Modulationselemente aufweisenden Lichtmodulator zur Modulation von einfallendem Licht und ein optisches Element mit bekannter optischer Charakteristik auf. Das auf den wenigstens einen räumlichen Lichtmodulator auftreffende Licht ist dabei hinreichend kohärent. Der wenigstens eine räumliche Lichtmodulator und das optische Element sind dabei derart miteinander kombiniert, dass das optische Element das von dem räumlichen Lichtmodulator ausgehende unmodulierte Licht in einen Winkelbereich streut. Durch das Vorsehen eines optischen Elements in der Lichtmodulationsvorrichtung wird das Licht bei einem Ausfall des räumlichen Lichtmodulators und/oder der Ansteuerung des räumlichen Lichtmodulators oder einer Fehlfunktion der Ansteuerung des räumlichen Lichtmodulators oder des räumlichen Lichtmodulators selbst bzw. der Anzeigeeinrichtung nicht fokussiert sondern gestreut, so dass eine Gefährdung von Personen/Betrachtern der rekonstruierten Szenen, insbesondere eine Schädigung der Augen von Betrachtern, ausgeschlossen bzw. vermieden werden kann. Mit anderen Worten, die insbesondere holographische Anzeigevorrichtung weist zusätzlich zu den bestehenden Komponenten bzw. Elementen ein optisches Element auf, das das einfallende Licht in einen Raumwinkelbereich streut. Die Charakteristik des optischen Elements ist dabei bekannt. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei korrekter Funktion der Anzeigevorrichtung bzw. der Lichtmodulationsvorrichtung eine vorzugsweise dreidimensionale Szene holographisch rekonstruiert wird, so dass sie von einem Betrachter beobachtbar ist. Bei einer Fehlfunktion der Lichtmodulationsvorrichtung bzw. der Anzeigevorrichtung wird aufgrund der streuenden Wirkung des optischen Elements das aus der Lichtmodulationsvorrichtung austretende Lichtbündel nicht in einen Fokus fokussiert, sondern über eine Fläche in einer Ebene, beispielsweise der Fourierebene, des räumlichen Lichtmodulators verteilt. Somit wird eine Gefährdung bzw. Schädigung der Augen eines oder mehrerer Betrachter der rekonstruierten Szene verhindert. Dadurch wird eine hohe passive Lasersicherheit erreicht. Unter dem Begriff „passive Lasersicherheit“ soll hier verstanden werden, dass auch bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion der Steuermittel zur Ansteuerung der Lichtmodulationsvorrichtung und/oder der strahlablenkenden/strahlformenden Elemente und/oder bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion der Lichtmodulationsvorrichtung selbst bzw. der Anzeigevorrichtung eine Gefährdung bzw. Schädigung eines oder mehrerer Betrachter/Personen verhindert wird. Eine Gefährdung der Personen wird somit nicht nur in Betrieb der Lichtmodulationsvorrichtung verhindert, sondern auch bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion der Lichtmodulationsvorrichtung. Ferner sollen mit dem Begriff „Lasersicherheit“ nicht nur Laser als Lichtquellen abgedeckt sein, sondern auch andere hinreichend kohärentes Licht erzeugende Lichtquellen, wie z.B. Leuchtdioden (LEDs), die aufgrund ihrer hohen Leistung eine Gefährdung für Personen darstellen können.
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Die erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung kann dabei in einer Anzeigeeinrichtung, insbesondere in einer holographischen Anzeigeeinrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen rekonstruierten Szenen gemäß dem Anspruch 8 eingesetzt werden, die weiterhin eine Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von hinreichend kohärentem Licht und wenigstens ein optisches System zur Lichtstrahlformung und/oder Lichtstrahlablenkung aufweist, um eine hohe Lasersicherheit für einen oder mehrere Betrachter der rekonstruierten Szenen zu gewährleisten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das optische Element eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei beim Durchgang des Lichts durch eine Zelle des optischen Elements das Licht eine Phasenmodulation erfährt, die für jede Zelle des optischen Elements bekannt ist. Die Phasenmodulation hängt dabei von der Dicke der einzelnen Zellen, der Differenz der Brechungsindizes des optischen Elements und des umgebenden Mediums sowie der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab. Die Phasenmodulation stellt somit hier als Beispiel die bekannte Charakteristik des optischen Elements dar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jedem Modulationselement des räumlichen Lichtmodulators eine Zelle des optischen Elements zugeordnet ist. Auf diese Weise besteht eine feste Pixelzuordnung, d.h. die Anzahl der Zellen des optischen Elements entspricht der Anzahl der Modulationselemente (Pixel) des räumlichen Lichtmodulators. Eine derartige 1 zu 1 (1:1) Zuordnung dieser Elemente hat den Vorteil, dass die Phasenmodulation jeder Zelle des optischen Elements in dem dazugehörigen Modulationselement des räumlichen Lichtmodulators kompensiert werden kann. Liegen mehr Zellen des optischen Elements vor, können diese nicht einzeln kompensiert werden und sind daher unzureichend kompensiert. Ein Vorliegen von weniger Zellen des optischen Elements ist jedoch möglich, allerdings kann dann die Schutzwirkung reduziert sein. Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass eine 1 zu 1 Zuordnung der Zellen des optischen Elements zu den Modulationselementen des räumlichen Lichtmodulators ideal ist. Es sind aber auch andere Verhältnisse der Zuordnung dieser beiden Elemente zueinander möglich.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die bekannte Charakteristik des optischen Elements bei der Berechnung eines in den räumlichen Lichtmodulator zu kodierenden Hologramms berücksichtigt wird. Das Streuverhalten des optischen Elements wird somit bei der Hologrammberechnung berücksichtigt bzw. mit in die Berechnung des Hologramms einbezogen. Bei der bekannten Charakteristik des optischen Elements kann es sich dabei um die Phasenmodulation des Lichts an den Zellen handeln, die mit der Phasenmodulation des Lichts in jedem der Modulationselemente (Pixel) des räumlichen Lichtmodulators verrechnet werden kann, so dass die Streuung des Lichts durch das optische Element bei korrektem Betrieb der Lichtmodulationsvorrichtung bzw. der Anzeigeeinrichtung kompensiert wird und das optische Element keine Wirkung auf die Rekonstruktion einer Szene zeigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der räumliche Lichtmodulator und das optische Element zueinander angrenzend angeordnet sind oder dass das optische Element in den räumlichen Lichtmodulator integriert ist. Dadurch kann eine direkte Zuordnung der Zellen des optischen Elements zu den Modulationselementen (Pixel) des räumlichen Lichtmodulators gewährleistet werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass bei einem größeren Abstand des optischen Elements zu dem räumlichen Lichtmodulator die Lichtbeugung an den Modulationselementen (Pixel) eine direkte Zuordnung der beiden Elemente zueinander verhindert bzw. diese beeinträchtigt wird. Vorteilhafterweise kann das optische Element in ein Substrat, insbesondere in ein Deckglas, des räumlichen Lichtmodulators integriert sein.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiels prinzipmäßig erläutert. Dabei wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Rekonstruktion mit kohärentem Licht beschrieben.
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Die Figuren zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine holographische Anzeigevorrichtung nach dem Stand der Technik in Seitenansicht,
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2 die holographische Anzeigevorrichtung nach 1 bei Nichtmodulation des Lichts durch einen räumlichen Lichtmodulator,
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3 eine erfindungsgemäße holographische Anzeigevorrichtung in Seitenansicht mit einem streuenden optischen Element,
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4 die erfindungsgemäße holographische Anzeigevorrichtung nach 3 bei korrekter Funktionsweise der holographischen Anzeigevorrichtung,
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5 eine erfindungsgemäße Lichtmodulationsvorrichtung, die das streuende optische Element aufweist.
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Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Lichtmodulationsvorrichtung und der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung soll die holographische Anzeigevorrichtung gemäß der Schrift
DE 103 53 439 B4 und den hierin beschriebenen
1 und
2 herangezogen werden.
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In 3 ist in Seitenansicht eine erfindungsgemäße insbesondere holographische Anzeigevorrichtung 10 dargestellt, wobei diese nur rein schematisch gezeigt ist. Die Anzeigevorrichtung 10 weist ein optisches Element auf, dessen optische Charakteristik bekannt und das erst in 5 detailliert dargestellt ist. Die Anzeigevorrichtung 10 ist in einem Betriebszustand, in dem ein räumlicher Lichtmodulator (SLM) das von einer Lichtquelleneinrichtung ausgehende und auf ihn auftreffende Licht unmoduliert passieren lässt. Dieser Betriebszustand kann beispielsweise bei einer Fehlfunktion der insbesondere holographischen Anzeigevorrichtung 10 eintreten, bei der Steuersysteme zur Ansteuerung des räumlichen Lichtmodulators und/oder Steuersysteme der strahlablenkenden/strahlformenden Elemente nicht ordnungsgemäß bzw. korrekt funktionieren.
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Die streuende Wirkung des optischen Elements, das in 3 nicht separat dargestellt ist, sorgt dafür, dass ein aus der insbesondere holographischen Anzeigevorrichtung 10 austretende Lichtbündel 20 über eine Fläche A in einer Ebene 50, hier der Fourierebene, des räumlichen Lichtmodulators verteilt ist. Um eine mit der Anzeigevorrichtung 10 rekonstruierte Szene beobachten zu können, muss sich ein Betrachter in oder nahe dieser Ebene 50, hier der Fourierebene, des räumlichen Lichtmodulators befinden. Da sich nun der Betrachter in oder nahe der Ebene 50 befindet, ist die Intensität des Lichts geringer als in dem in 2 dargestellten Fall. Die Gefährdung der Augen eines Betrachters einer zu rekonstruierenden Szene durch Laserstrahlung ist somit verringert.
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Die streuende Wirkung des optischen Elements wird bei der Hologrammberechnung für den räumlichen Lichtmodulator berücksichtigt. Dies ist in 4 dargestellt, d.h. wie bei korrekter Funktion der insbesondere holographischen Anzeigevorrichtung 10 die streuende Wirkung des optischen Elements bei der Berechnung des Hologramms mit in diese einbezogen und kompensiert wird. Somit wird eine zweidimensionale und/oder dreidimensionale (3D) Szene 40 korrekt holographisch rekonstruiert, wobei diese rekonstruierte Szene durch ein virtuelles Betrachterfenster 30 sichtbar ist.
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In 5 ist eine Lichtmodulationsvorrichtung 60 dargestellt, die einen räumlichen Lichtmodulator 70 und ein optisches Element 80 mit einer bekannten optischen Charakteristik aufweist. Der räumliche Lichtmodulator 70 weist Modulationselemente zur Modulation von einfallendem Licht auf. Die Modulationselemente sind dabei als Modulatorzellen P1 ... Pn ausgebildet, wobei der räumliche Lichtmodulator 70 beispielsweise als Flüssigkristall-Lichtmodulator ausgebildet sein kann. Die Modulatorzellen P1 ... Pn des räumlichen Lichtmodulators 70 modulieren das auf sie auftreffende Licht in Phase und/oder Amplitude. Beleuchtet wird der räumliche Lichtmodulator 70 mittels einer Beleuchtungseinrichtung 90, die hinreichend kohärentes Licht aussendet und beispielsweise als Punktlichtquelle, insbesondere als Laseranordnung, Leuchtdiodenanordnung oder OLED-Anordnung (organische Leuchtdioden) ausgebildet ist.
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Das optische Element 80 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Oberflächenrelief, insbesondere als Phasenmaske, ausgebildet. Jedem Modulationselement bzw. jeder Modulatorzelle P1 ... Pn ist eine Zelle H1 ... Hn des optischen Elements 80 zugeordnet, wie in 5 zu erkennen ist. Das auf das optische Element 80 auftreffende Licht erfährt beim Durchgang durch eine Zelle H1 ... Hn eine Phasenmodulation, die von der Dicke der Zelle H1 ... Hn, der Differenz der Brechungsindizes des optischen Elements 80 und des des optischen Elements 80 umgebenden Mediums, beispielsweise Luft oder Glas, sowie der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängt. Somit ist die Phasenmodulation für jede der Zellen H1 ... Hn bekannt. Das heißt, die optische Charakteristik des optischen Elements 80 ist bekannt bzw. vorbestimmt.
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Der räumliche Lichtmodulator 70 und das optische Element 80 sind dabei derart in der Lichtmodulationsvorrichtung 60 angeordnet, dass sie in Lichtausbreitungsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgen bzw. zueinander angrenzend angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine direkte Zuordnung von Modulatorzellen P1 ... Pn des räumlichen Lichtmodulators 70 und Zellen H1 ... Hn des optischen Elements 80 gewährleistet werden. Denn bei einem größeren Abstand des räumlichen Lichtmodulators 70 zu dem optischen Element 80 kann Lichtbeugung an den Modulatorzellen P1 ... Pn des räumlichen Lichtmodulators 70 eine direkte Zuordnung der beiden Elemente 70 und 80 zueinander beeinträchtigen. Es ist selbstverständlich alternativ auch möglich, das optische Element in den räumlichen Lichtmodulator 70 direkt zu integrieren, beispielsweise in ein Deckglas des räumlichen Lichtmodulators. Die Reihenfolge der Anordnung von räumlichem Lichtmodulator 70 und optischem Element 80 ist jedoch veränderbar.
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Die Dicken der Zellen H1 ... Hn des optischen Elements 80 sind statistisch gesehen gleich verteilt oder wenigstens annähernd gleich verteilt und derart bemessen, dass für die kürzeste Wellenlänge des beleuchtenden Lichts die Phasenmodulation in den Zellen H1 ... Hn im Bereich von 0 bis 2π gleich verteilt ist oder wenigstens annähernd gleich verteilt ist. Somit streut das optische Element 80 das auftreffende und von ihm phasenmodulierte Licht in einen Winkelbereich, wenn die Modulatorzellen P1 ... Pn des räumlichen Lichtmodulators 70 das auf ihn auftreffende Licht unmoduliert passieren lassen. Dies kann beispielsweise bei einer Fehlfunktion eines Steuersystems des räumlichen Lichtmodulators 70 der Fall sein, wenn die Modulatorzellen P1 ... Pn des räumlichen Lichtmodulators 70 nicht angesteuert werden, beispielsweise aufgrund eines Ausfalls der Spannungsversorgung. In diesem Fall wird das aus der Anzeigevorrichtung 10 austretende Lichtbündel 20 in eine ausgedehnte Fläche A in der Ebene 50 gestreut, wie in 3 dargestellt. Somit sind die Intensität am Auge und die Gefährdung der Augen eines Betrachters durch Laserstrahlung wesentlich geringer als bei einer holographischen Anzeigevorrichtung 1 nach dem Stand der Technik gemäß der 2.
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Bei korrekter Funktionsweise bzw. bei korrektem Betrieb der insbesondere holographischen Anzeigevorrichtung 10 wird die Phasenmodulation an den Zellen H1 ... Hn des optischen Elements 80 bei der Berechnung eines in den räumlichen Lichtmodulator 70 zu kodierenden Hologramms und der Ansteuerung des räumlichen Lichtmodulators 70 berücksichtigt. Die Phasenmodulation in jeder der Modulatorzellen P1 ... Pn wird hierzu um die Phasenmodulation reduziert bzw. mit dieser verrechnet, die das Licht in der zugeordneten Zelle H1 ... Hn des optischen Elements 80 erfährt. Somit wird die streuende Wirkung des optischen Elements 80 im räumlichen Lichtmodulator 70 kompensiert, wodurch eine holographische Rekonstruktion der dreidimensionalen (3D) Szene 40 vom virtuellen Betrachterfenster 30 aus sichtbar ist.
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Die Schutzwirkung der hierin beschriebenen Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels erklärt.
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Die Anzeigevorrichtung weist einen räumlichen Lichtmodulator mit einem Rastermaß von 20 µm auf, wobei eine Beleuchtungseinrichtung eingesetzt wird, die Licht einer Wellenlänge von 532 nm aussendet, und wobei ein Abstand von 0,75 m zwischen der Anzeigevorrichtung und einem Auge eines Betrachters gegeben ist. Diese Parameter führen zu einem Periodizitätsintervall mit einer Ausdehnung von 20 mm in der mit dem Bezugszeichen 50 gemäß den 3 und 4 angegebenen Ebene, hier der Fourierebene, des räumlichen Lichtmodulators. Dieses Periodizitätsintervall wird als virtuelles Betrachterfenster genutzt, von dem aus ein Betrachter eine rekonstruierte Szene betrachten kann. Die Fläche des räumlichen Lichtmodulators sowie des optischen Elements beträgt hierbei 400 mm × 300 mm, wobei dies wie bereits oben angegeben nur als Beispiel dienen soll.
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Das optische Element verringert die Strahlenbelastung eines oder beider Auges(n) eines Betrachters im Fall einer Fehlfunktion der insbesondere holographischen Anzeigevorrichtung hier aufgrund von zwei Mechanismen:
- (1) Nach den Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV B2 wird die Strahlenbelastung des Auges in einer Messapertur mit 7 mm Durchmesser gemessen. Unter den Annahmen, dass die Fläche A gemäß den 3 und 4 und das virtuelle Betrachterfenster wenigstens annähernd gleich groß sind und dass bei Fehlfunktion der hier holographischen Anzeigevorrichtung die Intensität des in den 3 und 4 mit dem Bezugszeichen LB versehenen Lichtbündels im virtuellen Betrachterfenster wenigstens annähernd konstant ist, gelangen 9,6% des Lichts im virtuellen Betrachterfenster in die Messapertur. Bei einer holographischen Anzeigevorrichtung gemäß dem Stand der Technik gelangen dagegen bei einer Fehlfunktion dessen 100% des Lichts im virtuellen Betrachterfenster in die Messapertur. Der erste Mechanismus verringert die Strahlenbelastung des Auges somit um einen Faktor 10,4 (100% geteilt durch 9,6%).
- (2) Die streuende Wirkung des optischen Elements bewirkt, dass bei einer Fehlfunktion der holographischen Anzeigevorrichtung das optische Element als räumlich inkohärent leuchtende Fläche wahrgenommen wird. Somit hat die Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung gemäß der BGV B2 eine Winkelausdehnung von α > 100 mrad. Es ergibt sich daher ein Korrekturfaktor C6 = 66.7 (Der Korrekturfaktor C6 wird von der BGV B2 vorgegeben.) gemäß der BGV B2. Der zweite Mechanismus verringert die Strahlenbelastung des Auges somit um einen Faktor 66,7.
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Die Strahlenbelastung des Auges im Fall einer Fehlfunktion der Lichtmodulationsvorrichtung bzw. der Anzeigevorrichtung wird somit um einen Faktor 694 (Faktor 66,7 multipliziert mit dem Faktor 10,4) reduziert.
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Alternativ ist es möglich, das optische Element auch als In-Cell Retarder (Element mit integrierter Verzögerungsschicht) auszubilden. Durch Kombination von Materialien unterschiedlicher Brechkraft bzw. unterschiedlicher Dotierung kann eine strukturierte Schicht auf einem Substrat oder in einem Substrat des räumlichen Lichtmodulators mit einer einheitlichen Schichtdicke erzeugt werden, so dass eine gleichmäßige Schichtdicke der adressierbaren Schicht des räumlichen Lichtmodulators erhalten bleibt.
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Ein In-Cell-Retarder könnte beispielsweise auf Flüssigkristallen (liquid crystals – LC) oder Photopolymer basieren. Mit anderen Worten, der In-Cell-Retarder könnte bereits im Modulationselement (Pixel) integriert sein.
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Die Verwendung eines auf Flüssigkristallen basierenden räumlichen Lichtmodulators mit Normally-Black-Mode (räumlicher Lichtmodulator mit schwarzem „Aus-Zustand“) erhöht weiter die Lasersicherheit, wobei dies allerdings von der Ausgestaltung des verwendeten räumlichen Lichtmodulators abhängt. Unter dem Normally-Black-Mode soll hier verstanden werden, dass bei Anlegen einer Spannung von U = 0V bzw. bei Nichtanlegen einer Spannung an den räumlichen Lichtmodulator jedes einzelne Pixel in diesem Zustand nicht transparent bzw. nicht lichtdurchlässig ist oder als schwarz betrachtet werden kann. Ein räumlicher Lichtmodulator mit Normally-Black-Mode bringt in Bezug auf die Lasersicherheit nur dahingehend Vorteile, wenn der räumliche Lichtmodulator als Sandwich aus einem amplitudenmodulierenden und einem phasenmodulierenden räumlichen Lichtmodulator ausgeführt ist. Das optische Element mit streuender Wirkung bietet auch bei einem derartigen räumlichen Lichtmodulator mit Normally-Black-Mode eine erhöhte Sicherheit. Bei einem räumlichen Lichtmodulator, der ein reiner Phasen-Lichtmodulator ist, bewirkt ein Normally-Black-Mode bei einer Fehlfunktion dessen jedoch keine Sicherheit, da das einfallende Licht die Pixel weiterhin passieren kann. Bei einem räumlichen Lichtmodulator, der als Phasen-Lichtmodulator mit einem Strahlkombinierer (beam combiner) ausgebildet ist, hat ein Normally-Black-Mode weitgehend nur einen Vorteil, wenn die optischen Pfade im Strahlkombinierer so abgeglichen sind, dass im Normally-Black-Mode destruktive Interferenz vorliegt. Dies ist jedoch im Moment kaum zu erreichen, da die Interferenz sehr empfindlich auf Pfadunterschiede ist, beispielsweise Dickenschwankungen von einem Deckglas des räumlichen Lichtmodulators in Verbindung mit einem Strahlkombinierer im Sub-λ(Wellenlänge)-Bereich.
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Die erfindungsgemäße Lösung erhöht somit wesentlich die Lasersicherheit eines insbesondere holographischen Displays. Besonders wichtig ist hierbei die passive Sicherheit, die auch bei Ausfall von Steuermitteln in der Anzeigevorrichtung bzw. in der Lichtmodulationsvorrichtung gegeben ist.
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Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dient, dieses jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt. Insbesondere könnte das oben beschriebene Ausführungsbeispiel – soweit möglich – auch andere Ausführungen beinhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19640404 A1 [0005]
- DE 10353439 B4 [0008, 0009, 0009, 0027]
