DE112017001110T5

DE112017001110T5 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017001110T5
Application number: DE112017001110.8T
Authority: DE
Inventors: Gerald Fütterer
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20220236692A1; US11300924B2; KR102346032B1; KR20180117185A; CN108780296B; US20190094803A1; KR20220000941A; CN108780296A; WO2017149064A1; CN114296332A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung. Subhologramme werden zum Kodieren eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet. Die Beleuchtungsvorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht zum Beleuchten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und eine Strahlformungseinheit auf. Die Strahlformungseinheit sieht eine plateauförmige Flat-Top-Verteilung eines Betrags eines komplexen Kohärenzgrades des Lichts in einer Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vor. Die plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades weist eine Form auf, die wenigstens zu einer Form des zum Kodieren von Objektpunkten in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendeten größten Subhologramms ähnlich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, wobei Subhologramme zum Kodieren eines Hologramms verwendet werden, wobei die räumliche Lichtmodulationseinrichtung vorzugsweise zum Darstellen zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Bilder verwendet wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Anzeigevorrichtung, insbesondere auf eine holographische Anzeigevorrichtung, zur Rekonstruktion zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Objektpunkte und/oder Szenen und/oder Bilder.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Beleuchtungsvorrichtung, die verwendet wird, um wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung zu beleuchten, die vorzugsweise in einer Anzeigevorrichtung zum Darstellen zweidimensionaler (2D) und/oder dreidimensionaler (3D) Bilder verwendet wird. Es versteht sich, dass zweidimensionale Bilder und dreidimensionale Bilder auch zweidimensionale oder dreidimensionale Inhalte oder Filme enthalten.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. in einer stereoskopischen Anzeigevorrichtung, einer autostereoskopischen Anzeigevorrichtung (ASD) oder vorzugsweise in einer holographischen Anzeigevorrichtung, insbesondere für eine mobile holographische dreidimensionale Anzeigevorrichtung, ein Head-Mounted-Display oder auch eine Direktsicht-Anzeigevorrichtung, verwendet werden.
Beleuchtungsvorrichtungen können als Hintergrundbeleuchtungen oder Vordergrundbeleuchtungen (auch als Durchlicht- bzw. Reflexionslicht-Beleuchtungsvorrichtungen bezeichnet) in einer Anzeigevorrichtung vorgesehen werden und im Allgemeinen dazu dienen, eine lichtdurchlässige oder reflektierende steuerbare räumliche Lichtmodulationseinrichtung (SLM) zu beleuchten. Gemäß der Erfindung kann das Licht kohärent oder inkohärent sein. Anzeigevorrichtungen, die mit inkohärentem Licht betrieben werden, werden vorzugsweise als zweidimensionale Anzeigevorrichtungen für stereoskopische oder autostereoskopische dreidimensionale Darstellungen verwendet. Kohärentes Licht wird z. B. in holographischen Anzeigevorrichtungen gefordert. Die vorliegende Erfindung bezieht sich vielmehr auf eine holographische Anzeigevorrichtung, in der die Kohärenz des Lichts ein wichtiger Aspekt ist.
Das Gebiet der Erfindung beinhaltet vorzugsweise Direktsicht-Anzeigevorrichtungen für die dreidimensionale Darstellung autostereoskopischer und/oder holographischer Bilder.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann auch auf Projektionsanzeigevorrichtungen oder Head-Mounted-Displays angewendet und folglich in Projektionsanzeigevorrichtungen oder Head-Mounted-Displays verwendet werden, die auf der raumbandbreitenbegrenzten holographischen Rekonstruktion basieren, die die Subhologramm-Kodierung verwendet.
In Anzeigevorrichtungen zur Darstellung von zweidimensionalen Bildern oder Filmen/Videos ist es notwendig, eine helle und homogene Beleuchtung der gesamten Fläche der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bei hoher Auflösung zu realisieren. Es ist erforderlich, dass die räumliche Lichtmodulationseinrichtung, die als ein Anzeigepanel dient, das Licht in einem definierten Winkelbereich emittiert. Viele physische Formen derartiger Anzeigevorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung für eine Anzeigevorrichtung, bei der Subhologramme zum Kodieren eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet werden. In einer Anzeigevorrichtung muss eine Vielzahl von Problemen berücksichtigt werden, insbesondere in einer Beleuchtungsvorrichtung einer Anzeigevorrichtung, um eine optimal entworfene Beleuchtung realisieren zu können. Zum Erreichen einer hohen Qualität der dreidimensionalen Darstellung der in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung geschriebenen Informationen ist eine definierte Kollimation der Wellenfronten, die ausgekoppelt werden, zusätzlich zu einer homogenen Beleuchtung der gesamten Fläche der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung notwendig. Dies ist für holographische Darstellungen in Form einer Rekonstruktion eines Hologramms, das zu erzeugen ist, von besonderer Wichtigkeit. Die holographische Information, die z. B. ein Objekt sein kann, das aus Objektpunkten einer dreidimensionalen Szene besteht, wird in Form von Amplituden- und Phasenwerten in die Pixel der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kodiert. Jeder kodierte Objektpunkt trägt zu einer Wellenfront bei, die durch die räumliche Lichtmodulationseinrichtung emittiert wird.
Verglichen mit klassischen Hologrammansätzen erfordert ein in einer holographischen Anzeigevorrichtung kodiertes Subhologramm nur eine verringerte Kohärenz des von der Beleuchtungsvorrichtung emittierten Lichts. Die Kohärenz kann durch die gegenseitige Kohärenzfunktion Γ₁₂ beschrieben werden. Diese Funktion beschreibt die gegenseitige Kohärenz von zwei Punkten eines Wellenfeldes und enthält zeitliche und seitliche Versätze. Der die zeitlichen Versätze beschreibende Teil, die auch als longitudinale Verschiebungen interpretiert werden können, wird als die zeitliche Kohärenz bezeichnet. Obwohl die zeitliche Kohärenz eine Funktion der Spektralverteilung oder der spektralen Leistungsdichte S(λ) ist, ist die zeitliche Kohärenz oft auf eine einzige Zahl reduziert, die reduzierte Informationen enthält. Diese einzige Zahl ist die Kohärenzlänge z_C . Für Laserlichtquellen könnte die Kohärenzlänge z_C z. B. mehrere Millimeter oder Meter betragen.
Der Teil, der die seitlichen Versätze beschreibt, wird als der Betrag des komplexen Kohärenzgrades µ₁₂ bezeichnet. Der Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | definiert den Wert des Interferenzkontrastes, der im Fall der Überlagerung von zwei benachbarten Punkten des Wellenfeldes erhalten werden kann. Wenn dieser Wert 1 ist, kann ein Interferenzkontrast von V = 1 erhalten werden. Wenn dieser Wert 0 ist, kann kein Interferenzeffekt gesehen werden. Dies bedeutet, dass der Interferenzkontrast V = 0 ist. Der Kontrast wird auch als Sichtbarkeit bezeichnet. Der Betrag des komplexen Kohärenzgrades wird auch als seitliche Kohärenz oder räumliche Kohärenz bezeichnet. Das vorgesehene Ziel ist, eine hohe Sichtbarkeit innerhalb des Bereichs eines Subhologramms und keine Sichtbarkeit außerhalb dieses Bereichs vorzusehen.
Ein Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | sollte innerhalb eines definierten Bereichs der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (SLM) nahe 1 sein. Dieser definierte Bereich der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ist zum größten Subhologramm, das zum Kodieren des Hologramms verwendet wird, ungefähr äquivalent. Es ist unerwünscht, einen Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | mit einer signifikant größeren Ausdehnung innerhalb der Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorzusehen, . Eine höhere seitliche Kohärenz verringert die letztlich innerhalb einer dreidimensionalen Objektpunktwolke, die das bevorzugte dreidimensionale Bild repräsentiert, erhaltene Signalqualität. Beispielsweise ist die Verwendung einer ebenen Welle zur Beleuchtung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung unter Verwendung der Subhologramm-Kodierung nicht empfehlenswert. Ein Effekt der Verwendung einer ebenen Welle ist, dass die störende Beugung, z. B. aufgrund von Staubpartikeln auf einer Substratebene, parasitäre und störende Interferenzeffekte sogar in seitlichen Entfernungen erzeugt, die viel größer als die Ausdehnung eines größten verwendeten Subhologramms sind. Weiterhin ist in holographischen Anzeigevorrichtungen des eindimensionalen Kodierungstyps, d. h., z. B. nur vertikale Parallaxe kodiert (VPO-kodiert), eine Optimierung der komplexwertigen Verteilung der Spalten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die die eindimensionalen vertikal orientierten Subhologramme repräsentieren, nur entlang einer Richtung bevorzugt. Mit anderen Worten, solange sich das Licht hinter benachbarten Spalten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ausbreitet, wird es inkohärent zueinander sein. Licht von verschiedenen Spalten wird nicht interferieren.
Somit ist die Verwendung von Punktlichtquellen in der Beleuchtungsvorrichtung nicht empfehlenswert. Die Verwendung von optischen Monomode-Fasern ist z. B. infolge der schließlich erhaltenen Bildqualität und infolge des großen Verlustfaktors der optischen Leistung, der im Vergleich zur Verwendung von Freistrahloptiken sogar größer als ein Faktor fünf sein könnte, nicht empfehlenswert. Mit anderen Worten, die Verwendung von optischen Monomode-Fasern ist eine Beschränkung der optischen Energie und eine Beschränkung der Investitionen. Die Verwendung einer ausgedehnten Lichtquelle führt zu einer verringerten seitlichen Ausdehnung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |. Diese einfache Modifikation der zu kollimierenden Lichtquelle ist jedoch nicht ausreichend. Deshalb ist es erwünscht, einen komplexeren Ansatz zu verwenden, um eine auf Subhologrammgröße zugeschnittene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung innerhalb einer holographischen Anzeigevorrichtung vorzusehen.
Die Dokumente des Standes der Technik beschreiben bereits die Verwendung einer Beleuchtung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit ebenen Wellen, welches äquivalent ist zum Vorsehen einer Ausdehnung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung innerhalb einer holographischen Anzeigevorrichtung, die Größenordnungen größer als die Größe des größten Subhologramms ist.
Für eine eindimensionale Kodierung von Hologrammen können vor einer Kollimationseinheit Lichtquellenverteilungen vorgesehen werden, die eine schlitzartige Verteilung oder Form aufweisen. Im Vergleich zu Punktquellen führt dies zu einer verringerten Ausdehnung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene des zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulators. Die benachbarten Spalten einer eindimensionalen, nur vertikale Parallaxe kodierten räumlichen Lichtmodulationseinrichtung sind aber dennoch gegenseitig kohärent. Dies wird ein störendes kohärentes retinales Übersprechen zwischen Objektpunkten für benachbarte Objektpunkte entlang der horizontalen Richtung, das auf der Netzhaut eines Auges eines Betrachters vorhanden ist, hinzufügen.
In den Ansätzen des Standes der Technik ist es nachteilig, dass eine Sichtbarkeit mit einem Wert von 1 für Scherabstände von s > 0 nicht erhalten werden kann. Hier kann der Scherabstand s als ein gegenseitiger Abstand der Punkte eines einzigen Subhologramms interpretiert werden.
Die Verwendung von Nicht-Lichtquellennachführungs-Ausführungsformen in einer Anzeigevorrichtung in Kombination mit der Implementierung großer Trackingwinkel, d. h., z.B. α_τ > ±20 Grad, macht die Verwendung einer Lichtquelle zwingend, die eine sehr kleine Spektrallinienbreite und somit eine angemessen lange Kohärenzlänge, d. h., z. B. z_C ≥ 5 mm, aufweist. Dies bedeutet, dass eine zeitliche Kohärenz, die auch als spektrale Kohärenz bezeichnet wird, innerhalb des Parameterraums der Erfindung angenommen werden kann. Somit muss der Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | als ein Parameter des Wellenfeldes, das die komplexwertige räumliche Lichtmodulationseinrichtung beleuchtet, optimiert werden.
Weiterhin ist es ein Grundproblem, dass trotz der zwingenden Begrenzung der Lichtlinienbreite auf Δλ < 0,1 nm und das Fixieren der verwendeten Wellenlänge, mit anderen Worten, eine Wellenlängenstabilität bis zu einem Maximum von Δλ₀ ±0,1 mm, der Betrag des komplexen Kohärenzgrades, der auch als die räumliche Kohärenz bekannt ist, auf die Größe der verwendeten Subhologramme begrenzt sein sollte.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, die fähig ist, Licht mit definierten und erforderlichen Kohärenzeigenschaften zu erzeugen, und eine homogene Intensitätsverteilung zu realisieren, die von der Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung entkoppelt ist. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Betrag eines komplexen Kohärenzgrades vorzusehen, der erforderlich ist, um eine dreidimensionale Bildqualität mit einer Auflösung von ≤ 1/60 Grad zu erhalten, die zu der Winkelauflösungsgrenze des menschlichen Auges äquivalent ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beleuchtungsvorrichtung nur mit einer kleinen Anzahl optischer Elemente auszubilden, wobei ihre Konstruktion einfach und kosteneffizient sein sollte, so dass eine Beleuchtungsvorrichtung unter geringfügigen Kosten entwickelt werden kann.
Die Optimierung des Wellenfeldes, das auf eine Auskopplungsebene einer Beleuchtungsvorrichtung trifft, ist zwingend, um eine homogene Intensitätsverteilung zu realisieren, die eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung weiter entlang des Lichtweges beleuchtet. Eine Optimierung dieser Intensitätsverteilung und eine angepasste Kodierung von Subhologrammen, die bei spezifischen holographischen Kodierungsverfahren verwendet werden, sind praktisch. Dies kostet jedoch Dynamikbereich der z. B. komplexwertigen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung. Das ist der Grund, warum eine angemessene homogene Intensitätsverteilung bereits durch die Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen werden sollte.
Aus diesem Grund wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Aufgabe durch eine Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Beleuchten wenigstens einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise zum Darstellen zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Bilder verwendet wird. Zum Kodieren eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung werden Subhologramme verwendet. Die Beleuchtungsvorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle zum Emittieren des Lichts zum Beleuchten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung auf. Die Beleuchtungsvorrichtung weist ferner eine Strahlformungseinheit auf. Die Strahlformungseinheit sieht eine plateauförmige Flat-Top-Verteilung eines Betrags eines komplexen Kohärenzgrades des Lichts in einer Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vor. Die plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades des Lichts weist eine Form auf, die zu einer Form des größten Subhologramms wenigstens ähnlich ist, das zum Kodieren von Objektpunkten in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet wird. Dies bedeutet, dass die Form der plateauförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades des Lichts auch zu der Form des größten Subhologramms äquivalent sein kann. Der Begriff „Betrag des komplexen Kohärenzgrades‟ ist auch bekannt unter bzw. wird als räumliche Kohärenz abgekürzt. Somit wird in der folgenden Beschreibung der Begriff „räumliche Kohärenz“ auch für den Begriff „Betrag des komplexen Kohärenzgrades‟ verwendet.
Die Erfindung sieht einen Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene des zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulators innerhalb einer holographischen, vorzugsweise dreidimensionalen (3D), Anzeigevorrichtung vor, die auf einer Subhologramm-Rekonstruktion einer dreidimensionalen (3D) Objektpunktwolke basiert, die eine dreidimensionale (3D) Szene in einem dreidimensionalen Raum repräsentiert. Eine plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen, die wenigstens die Größe oder die Form des größten Subhologramms aufweist, das zum Kodieren von Objektpunkten verwendet wird. Dies gilt sowohl für eine eindimensionale Subhologramm-Kodierung als auch für eine zweidimensionale Subhologramm-Kodierung. Eine Flat-Top-Verteilung ist eine sogenannte rechteckige Strahlverteilung.
Verschiedene Ausführungsformen der Anzeigevorrichtung erfordern verschiedene Optimierungen der Beleuchtungsvorrichtung und somit verschiedene Optimierungen der Kohärenzeigenschaften. Somit erfordern seitliche Strahlkombinationsanordnungen zum Kombinieren des Lichts unterschiedlicher Wellenlängen, unterschiedliche Anordnungen einer zweidimensionalen Kodierung und eine eindimensionale Kodierung erfordert eine andere Aufbereitung der Kohärenz des durch die Beleuchtungsvorrichtung emittierten Lichts. Jede Wellenlänge erfordert z. B. eine eigene komplexwertige Verteilung, die in der Ebene der zu kollimierenden Lichtquelle vorliegt. Somit ist es bevorzugt, mehrere einzeln vorbereitete Lichtquellenebenen, eine für jede Primärfarbe, z. B. RGB, zu verwenden. Diese aufbereiteten Wellenfelder werden weiter entlang dem Strahlengang in der Beleuchtungsvorrichtung kombiniert.
Die Verwendung einer seitlichen Strahlkombination aus zwei benachbarten Phasenverschiebungs-Pixeln der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung erfordert zugeschnittene Kohärenzeigenschaften. Der Betrag des komplexen Kohärenzgrades der zu kombinierenden Pixel sollte nahe bei Eins (1) sein, während der Betrag des komplexen Kohärenzgrades aller anderen Pixel der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung nahe bei Null (0) sein sollte.
Eine Anzeigevorrichtung ist z. B. 0,5 m bis 3,5 m vor einem Betrachter angeordnet, der z. B. eine vorzugsweise dreidimensionale Szene oder vorzugsweise dreidimensionale Objekte betrachten will. Die Szene oder die Objekte bestehen aus Objektpunkten. Die Objektpunkte, die den kürzesten Abstand zum Betrachter aufweisen, der z. B. 0,3 m betragen kann, verwenden die größten Subhologramme zum Kodieren dieser Objektpunkte in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung. Somit ist die praktische Größe oder Form der Flat-Top-Funktion der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, insbesondere durch die Objektpunkte definiert, die vor oder hinter der Anzeigevorrichtung vorhanden sind und die den größten Abstand zu der Anzeigevorrichtung aufweisen. Objektpunkte vor der vorzugsweise holographischen dreidimensionalen Anzeigevorrichtung sind reale Objektpunkte. Objektpunkte hinter der vorzugsweise holographischen dreidimensionalen Anzeigevorrichtung sind imaginäre Objektpunkte.
Das Zuschneiden oder die Optimierung der Kohärenzeigenschaften des durch die Beleuchtungsvorrichtung emittierten Lichts wird in dem folgenden Abschnitt durch ein Beispiel beschrieben. Um die räumliche Lichtmodulationseinrichtung einer holographischen Anzeigevorrichtung zu beleuchten, könnten optische Monomode-Fasern und ein Strahlqualitätsparameter verwendet werden, der durch den Strahlqualitätsparameter M² definiert ist, wobei M² nahe 1 ist. Damit könnte z. B. ein beugendes optisches Element (DOE) oder eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung für eine holographische Rekonstruktion beleuchtet werden. Der Strahlqualitätsparameter kann z. B. unter Verwendung des Quadrats des Verhältnisses des Strahldurchmessers der Multimode-Verteilung und der Monomode-Verteilung, M² = (∅_m/∅₀)², beschrieben werden. Der Parameter M² kann verwendet werden, um die Strahlqualität einzelner primärer Lichtstrahlen, z. B. Laserstrahlen oder Lichtstrahlen, die von optischen Fasern emittiert werden, zu beschreiben. Die Multimode-Fasern zeigen ein Modenmuster, das auf die Vielzahl von propagierenden Moden zurückzuführen ist, die die Bedingung transversaler stehender Wellen erfüllen. Das Fernfeld-Beugungsmuster optischer Fasern, die höhere Moden als die TEM₀₀ -Mode aufweisen, kann für die meisten der Standardanwendungen nicht verwendet werden.
Es kann eine ausgedehnte Lichtquelle anstelle einer Punktquelle verwendet werden, um den Betrag des komplexen Kohärenzgrades in Abhängigkeit vom seitlichen Abstand zu verringern. Dies bedeutet, dass eine ausgedehnte Lichtquelle, mit anderen Worten, ein verbreitertes Planwellenspektrum, die Kohärenz der seitlich versetzten Objektpunkte verringert. Es kann eine dynamische Streuebene verwendet werden. Diese Streuebene kann in der Brennebene einer in der Beleuchtungsvorrichtung oder in der Anzeigevorrichtung vorgesehenen Kollimationseinheit angeordnet sein. Ein Laser als Lichtquelle oder andere Lichtquellen, die die dynamische Streuebene oder die Austrittsebene einer optischen Faser beleuchten, wird z. B. auf die dynamische Streuebene abgebildet. Die Größe der resultierenden Lichtquelle, einer sogenannten ausgedehnten Lichtquelle, die zu kollimieren ist, definiert den Betrag des komplexen Kohärenzgrades. Die Größe der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle kann unter Verwendung z. B. einer bestimmten Apertur oder durch Ändern der Vergrößerung, die verwendet wird, um die primäre Lichtquelle auf die Ebene der ausgedehnten Lichtquelle abzubilden, an die Anforderungen angepasst werden. Die Ebene der ausgedehnten Lichtquelle ist hier die Ebene des dynamischen Streuelements. Dieses Prinzip kann an die weiteren spezifischen Anforderungen einer holographischen Anzeigevorrichtung angepasst werden. Eine dynamische Phasen-Streuebene kann z. B. durch einen rotierenden Streuer vorgesehen werden. Die anfängliche Phasenverteilung wird durch diesen rotierenden Streuer signifikant gestört. Dies bedeutet, dass hinsichtlich des Strahlqualitätsfaktors M² geringere Anforderungen vorhanden sind. Dieser Faktor könnte z. B. nur 2 sein. Dies verringert die Kosten der Lichtquellen, wie z. B. der Laser, im Vergleich zu den Lösungen, die z. B. optische Monomode-Fasern enthalten, signifikant.
Deshalb muss die Beleuchtung eine räumliche Kohärenz vorsehen, die so gering ist, wie es erforderlich ist. Somit sollte für eine zweidimensionale (2D) Kodierung eines Hologramms ein Planwellenspektrum von 1/60 Grad unter Verwendung einer etwa kreisförmigen Lichtquelle vorgesehen werden, die eine dynamische Phasenvariationen von > 2π zeigt. Für eine eindimensionale (1D) Kodierung eines Hologramms muss ein Planwellenspektrum von 1/60 Grad für die Beleuchtung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung nur für die kohärente Richtung vorgesehen werden. Die orthogonale Richtung, d. h., die inkohärente Richtung, muss einen Sweet-Spot aufspannen, für den ein Planwellenspektrum von etwa 0,35 Grad ausreichend sein sollte.
Ein Gauß-zu-Flat-Top-Strahlformer der Strahlformungseinheit kann verwendet werden, um eine homogene Beleuchtung einer Eintrittsapertur der Kollimationseinheit vorzusehen. Somit treten etwa 95 % des die Strahlformungseinheit beleuchtenden Lichts in die Kollimationseinheit ein, was ein Optimum hinsichtlich der Lichtausbeute ist.
Der Begriff flat-top ist zu den Begriffen flat-hat oder top-hat äquivalent, die ebenfalls in der Literatur gefunden werden können.
Hier ist eine homogene Intensitätsverteilung in der Eintrittsebene der zur Kollimation der Lichtquellenebene verwendeten Kollimationseinheit vorgesehen. Somit ist eine homogene Intensitätsverteilung in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen. Beide Verteilungen können als Flat-Top-Verteilungen betrachtet werden, die z. B. rechteckige Ausführungen mit einem Seitenverhältnis von 16:9 oder 2:1 sind.
Die Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist verschieden. Diese Verteilung kann z. B. kreisförmig sein und einen Durchmesser von z. B. nur 5 mm aufweisen. Dies ist eine Verteilung eines Kohärenzparameters.
Für eine zweidimensionale Kodierung eines Hologramms können drei Gauß-Strahlen von drei Lichtquellen, die drei verschiedene Wellenlängen (RGB) emittieren, auf den Gauß-zu-Flat-Top-Strahlformer der Strahlformungseinheit gelenkt werden. Der Gauß-zu-Flat-Top-Strahlformer kann als ein Gauß-zu-kreisförmig-Top-Hat-Strahlformer ausgebildet sein. Der Gauß-zu-Flat-Top-Strahlformer weist dichroitische Spiegelelemente zur Strahlkombination auf und ordnet somit alle Lichtfarben (Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen) auf derselben Position in einer Ebene einer ausgedehnten Lichtquelle an. Diese ausgedehnte Lichtquelle wird unter Verwendung der Kollimationseinheit kollimiert, die z. B. einen off-axis Parabolspiegel oder eine Linse aufweist, die eine achromatische Linse oder eine asphärische Linse sein kann. Die Größe der ausgedehnten Lichtquelle definiert das Planwellenspektrum. Wenn eine zweimal 10×-Lichtausdehnung vorsehende beugungsbasierte Beleuchtungsvorrichtung als eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann die Größe der Lichtquelle vergrößert werden, so dass sie zu 1/6 Grad vor der Beleuchtungsvorrichtung äquivalent ist. Die räumliche Lichtmodulationseinrichtung muss mit einem Planwellenspektrum von 1/60 Grad beleuchtet werden. Andernfalls kann ein Betrachter einen Auflösungsverlust erkennen. Ein auf Bragg-Beugung basierendes Volumengitter könnte verwendet werden, um die Strahlausdehnung vorzusehen. Somit kann eine kompakte Hintergrundbeleuchtungseinheit als Beleuchtungsvorrichtung verwirklicht werden. Eine 10×-Strahlausdehnung führt z. B. zu einer Verringerung des Planwellenspektrums um einen Faktor von 10×. Mit anderen Worten, wenn 1/6 Grad vor der Hintergrundbeleuchtungseinheit vorliegen, liegen 1/60 Grad hinter der Hintergrundbeleuchtungseinheit vor, gesehen in Lichtausbreitungsrichtung. Dies ist der Grund, warum die Lichtkollimationseinheit, die das Licht der ausgedehnten zugeschnittenen Lichtquelle kollimiert, ein Planwellenspektrum von 1/6 Grad emittieren kann. Dieses Spektrum wird durch die Hintergrundbeleuchtungseinheit auf einen Wert von 1/60 Grad verringert, welcher für die Beleuchtung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ausreichend ist.
Die Divergenz des Lichts innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung kann unter Verwendung eines Strahlaufweiters gesteuert werden. Der Strahlaufweiter kann ein Teleskopsystem aufweisen, das zwei Linsen aufweist. Das Teleskopsystem kann z. B. ein sehr kleines Teleskopsystem sein, das Linsen mit einem Durchmesser von etwa 5 mm aufweist. Dies hält das System der Beleuchtungsvorrichtung kompakt.
Wenn z. B. ein λ = 457 nm (blauer) Laser und ein λ = 532 nm (grüner) Laser als Lichtquellen einen 1/e²-Durchmesser von d ≈ 1,2 mm aufweisen und ein λ = 643 nm (roter) Laser einen Durchmesser von d ≈ 3 mm aufweist, kann ein 2,5×-Strahlaufweiter invers verwendet werden, um einen verringerten Strahldurchmesser vorzusehen. Somit weisen nun alle drei Lichtstrahlen einen Durchmesser von d ≈ 1,2 mm auf. Wenn in der Beleuchtungsvorrichtung eine zweimal 10× auf Volumengitter-basierende keilförmige Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet wird, ist eine Kollimationslinse einer Kollimationseinheit mit einer Brennweite von f = 412 mm ausreichend. Es gibt drei direkte Laserstrahlen, zwei winzige Linsen, die ein 2,5×-Teleskopsystem bilden, um den Durchmesser des roten Lasers zu verringern, zwei dichroitische Spiegel und einen rotierenden Flat-Top-Diffusor als Strahlformungseinheit mit z. B. (10000-30000) min^-1, um eine ausreichende Dynamikvariation der Phasenverteilung der Lichtquelle vorzusehen, um z. B. mit einer gepulsten Beleuchtung mit einem im eingeschalteten Zustand 4 ms blitzenden Laser zu arbeiten. Somit kann eine maximale Effizienz erreicht werden.
Ein optimierter freier Laserstrahlaufbau kann z. B. im Vergleich zu einer Monomodefaser-Ausführungsform die zehnfache Laserleistung einsparen. Die Kombination von drei Farben des innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung unter Verwendung zuerst der Kollimation, die für alle Farben separat ausgeführt wird, vorgesehenen Lichts könnte nicht die beste Methode sein.
Im Falle eindimensional kodierter Subhologramme eines Hologramms in der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung muss eine liniensegmentartige Kohärenz, die zu den eindimensionalen Subhologrammen parallel ist, vorgesehen werden. Die liniensegmentartige Kohärenz sollte einen definierten vorgegebenen Wert nicht übersteigen, dieser Wert kann z. B. etwa 5 mm sein. Dies bedeutet, einen flat-top-artig, der auch als flat-hat- oder top-hat-artig bekannt ist, geformten Kohärenzbereich, z. B. etwa 5 mm vertikal und etwa 0,1 mm horizontal, vorzusehen, wenn die Subhologramme vertikal orientiert sind. Es ist auch möglich, die Subhologramme in einer horizontalen Weise zu orientieren. Für die weiteren Erklärungen gemäß der Erfindung wird eine vertikale eindimensionale Kodierung angenommen.
Die gesamte Größe eines Betrachterfensters, durch das ein Betrachter eine dreidimensionale Szene beobachten kann, und seine Projektion auf die räumliche Lichtmodulationseinrichtung, die verwendet werden kann, um die Größe eines Subhologramms zu definieren, wenn z. B. das Maximum des optischen Wegunterschieds (OPD) spezifiziert werden muss und somit die Linienbreite einer in der Beleuchtungsvorrichtung verwendeten Lichtquelle oder die maximale Ausdehnung der gegenseitigen Kohärenz, müssen nicht berücksichtigt werden. Die Eintrittspupille des menschlichen Auges eines Betrachters ist ein wichtiger Parameter. Die Eintrittspupille kann verwendet werden, um die Linienbreite Δλ der verwendeten Lichtquelle oder die maximale Ausdehnung der gegenseitigen Kohärenz |µ₁₂ | zu spezifizieren, um ausreichende Kohärenzparameter, wo sie erforderlich sind, d. h., innerhalb der Subhologramme, und eine geringe oder keine Kohärenz außerhalb der Subhologramme zu erhalten. Die horizontale Ausdehnung des Bereichs der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | nahe Eins sollte wenigstens ein Anteil der horizontalen Ausdehnung einer eindimensionalen Linie der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung sein, die in der Anzeigevorrichtung vorgesehen ist. Wenn z. B. eine vertikal orientierte eindimensionale Kodierung vorgesehen ist, sollten die benachbarten Spalten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung nicht zueinander kohärent sein. Somit könnte eine horizontale Ausdehnung der gegenseitigen Kohärenz |µ₁₂ | nahe Eins nur z. B. 40 µm betragen, was die Breite einer einzigen Spalte ist. Gleichzeitig könnte die vertikale Ausdehnung der gegenseitigen Kohärenz |µ₁₂ | nahe Eins z. B. 5 mm betragen, was die Höhe des größten verwendeten Subhologramms ist. Wenn in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung Farbfilterstreifen vorgesehen sind, sollte die horizontale Ausdehnung der gegenseitigen Kohärenz |µ₁₂ | nahe Eins wenigstens ein Anteil der horizontalen Ausdehnung der Farbfilterstreifen einer einzigen Farbe sein. Somit könnte eine horizontale Ausdehnung der gegenseitigen Kohärenz |µ₁₂ | nahe Eins z. B. 3 × 40 µm = 120 µm betragen, was die Breite oder die horizontale Ausdehnung einer roten, einer grünen und einer blauen Pixelspalte ist.
Es würde auch möglich sein, eine horizontale Ausdehnung zu verwenden, die ein kleiner Bruchteil nur der Farbfilterbreite, wie z. B. ¼, ist. Die vertikale Ausdehnung der gegenseitigen Kohärenz |µ₁₂ | nahe Eins, die ein gegenseitiger Abstand ist, der die Bedingung |µ₁₂| ≈ 1 erfüllt, sollte eine maximale Grenze aufweisen, die zu der Ausdehnung des größten Subhologramms der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung äquivalent ist. Dies könnte z. B. 5 mm sein. Es ist aber ausreichend, nur eine Ausdehnung zu verwenden, die zu der Projektion der Eintrittspupille des Auges eines Betrachters durch einen Objektpunkt auf die räumliche Lichtmodulationseinrichtung der Anzeigevorrichtung äquivalent ist. Wenn sich z. B. ein Betrachter etwa 3,5 m vor einer holographischen eindimensional kodierten Anzeigevorrichtung befindet, ist ein Objektpunkt auf halbem Wege zu dem Betrachter, d.h., z = 1,75 m, angeordnet. Die Helligkeit könnte z. B. 100 cd/m² betragen. Dies führt zu einem durchschnittlichen Durchmesser der Eintrittspupille eines Auges des Betrachters von etwa ∅_EP ≅ 2,9 mm. Dies bedeutet, dass in diesem Fall des Begrenzens der Objektpunkte auf einen maximalen Abstand von z = 1,75 m eine vertikale Ausdehnung des Kohärenzbereichs von 2,9 mm ausreichend ist, was viel kleiner als 5 mm ist.
Da die Eintrittspupille des menschlichen Auges die wirtschaftlichste Größe (nicht notwendigerweise die Form) eines Subhologramms der Anzeigevorrichtung definiert, die im Raum schwebende dreidimensionale Szenen auf der Netzhaut des menschlichen Auges abbildet, ist die seitliche Ausdehnung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ (x_SLM , yS_LM )|, die in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorliegt, ebenfalls durch den Durchmesser der Eintrittspupille definiert. Die Eintrittspupille des menschlichen Auges kann verwendet werden, um den Betrag des komplexen Kohärenzgrades zu spezifizieren, um ausreichende, jedoch die niedrigsten Kohärenzparameter zu erhalten. Es ist aber nicht erforderlich, die Größe des größten Subhologramms zu nehmen. Es kann vermieden werden, zusätzliche Millimeter hinzuzufügen, die wegen einer räumlichen und zeitlichen Unbestimmtheit der Eintrittspupillenverfolgung hinzugefügt werden. Die Ausdehnung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades kann kleiner als die maximale Größe der verwendeten Subhologramme sein.
Beispielsweise, im Fall der Verwendung einer Leuchtdichte von z. B. 100 cd/m² und somit eines durchschnittlichen Durchmessers der Eintrittspupille des menschlichen Auges von 2,9 mm ist z. B. für einen maximalen Abstand z der rekonstruierten Objektpunkte, der der halbe Weg von der Anzeigevorrichtung bis zu einem Betrachter ist, eine Ausdehnung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades von 2,9 mm ausreichend. Dies gilt für die kohärente Richtung für eine eindimensionale Kodierung eines Hologramms. Dies gilt auch für eine zweidimensionale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung für eine zweidimensionale Kodierung eines Hologramms. Für dieses Beispiel und eine zweidimensionale Kodierung der Subhologramme ist eine kreisförmige flat-top-geformte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades bevorzugt, die Werte im Wesentlichen nahe 0 und nahe 1 und einen Durchmesser von z. B. d = 2,9 mm aufweist, was bevorzugt, aber kein absolutes Muss ist.
Unter Verwendung einer Nachschlagtabelle (LUT) können statische Intensitätsverteilungen zum Kodieren der Subhologramme betrachtet werden. Dies kann auch auf dynamische Variationen erweitert werden. Somit ist es nicht notwendig, eine konstante Intensitätsverteilung in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (SLM) vorzusehen. Diese Kompensation opfert jedoch Dynamikbereich der Modulation. Dies ist der Grund, warum eine angemessene Homogenität verwendet werden sollte.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgebildet sein, dass die plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, die in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, eine Flat-Top-Funktion aufweisen kann, die einen Wert nahe 1 innerhalb eines Bereichs des größten Subhologramms und einen Wert nahe 0 außerhalb des Bereichs des größten Subhologramms aufweist.
Im Fall der Verwendung der größten Subhologramme mit einer Größe von z. B. etwa 7 mm × 7 mm für eine zweidimensionale Kodierung ist die räumliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, eine Flat-Top-Funktion, die einen Wert nahe Eins (1) innerhalb eines quadratisch geformten Bereichs von 7 mm × 7 mm und einen Wert nahe Null (0) außerhalb des quadratförmigen Flat-Top-Bereichs aufweist. Im Fall der Verwendung der größten Subhologramme, die kreisförmig sind und einen Durchmesser von 7 mm aufweisen, ist die räumliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, eine kreisförmige Flat-Top-Funktion, die einen Wert nahe Eins (1) innerhalb eines kreisförmigen Bereichs mit einem Durchmesser von Ø = 7 mm und einen Wert nahe Null (0) außerhalb des kreisförmigen Flat-Top-Bereichs aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades im Fall der Verwendung einer eindimensionalen Kodierung eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung eine liniensegmentartige Flat-Top-Verteilung sein, die eine liniensegmentartige Flat-Top-Funktion aufweist. Eine eindimensionale Kodierung von Subhologrammen in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet vorzugsweise linienartig geformte Subhologramme. Die Subhologramme können vertikal oder horizontal orientiert sein. Wie bereits erwähnt, sind für die vorliegende Erklärung der Erfindung vertikal orientierte Subhologramme vorgesehen. In diesem Fall sind die Subhologramme vertikal orientierte diffraktive linsenähnliche komplexwertige Verteilungen, die innerhalb der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorliegen. In diesem Fall sieht die eindimensionale Kodierung nur vertikale Parallaxe (VPO) der dreidimensionalen Objekte vor. Im Fall der Verwendung einer eindimensionalen Kodierung und die größten Subhologramme haben eine Größe von etwa 7 mm × 0,1 mm, ist die räumliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, z. B. eine liniensegmentartige Flat-Top-Funktion, die einen Wert nahe Eins (1) innerhalb eines stabartig geformten Bereichs von etwa 7 mm × 0,1 mm, d.h., einer vertikalen Ausdehnung von 7 mm und einer horizontalen Ausdehnung von 0,1 mm, und einen Wert nahe Null (0) außerhalb dieses Bereichs aufweist. Wenn eine nur vertikale Parallaxe-Kodierung (VPO-Kodierung) verwendet wird, ist die Form der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu einer Linie äquivalent oder wenigstens ähnlich, die in der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vertikal orientiert ist. Somit ist die vertikale Ausdehnung der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades z. B. etwa 7 mm, während die horizontale Ausdehnung dieser räumlichen Verteilung z. B. 0,1 mm ist. Für eine Anzeigevorrichtung, die z. B. 600 mm vor einem Betrachter angeordnet ist, könnte die horizontale Ausdehnung der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | signifikant kleiner als 0,1 mm sein, d. h., sogar noch kleiner als 0,05 mm.
Vorteilhaft kann die Strahlformungseinheit wenigstens einen Strahlformungsdiffusor mit einer Phasenstruktur aufweisen, die eine definierte Intensitätsverteilung in seinem Fernfeld erzeugt, die z. B. eine Flat-Top-Intensitätsverteilung ist. Eine Funktion des Strahlformungsdiffusors ist, eine homogene Beleuchtung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorzusehen. Im Allgemeinen wird dies durch das Vorsehen einer homogenen Intensitätsverteilung in der Eintrittsebene der Kollimationseinheit erhalten, die das Licht der zugeschnittenen ausgedehnten Lichtquelle kollimiert. Eine weitere Funktion des Strahlformungsdiffusors ist, eine dynamische Phasenverteilung in der Ebene der zugeschnittenen ausgedehnten Lichtquelle vorzusehen, die durch die Kollimationseinheit kollimiert werden muss. Beide Funktionen könnten getrennt sein und Somit durch verschiedene optische Elemente oder Gruppen von optischen Elementen bereitgestellt werden. Dies könnte jedoch nicht der effektivste Weg hinsichtlich der Materialkosten oder der Kompaktheit der Ausführungsform sein.
Der wenigstens eine Strahlformungsdiffusor kann als eine Strahlstreuplatte, eine Strahlstreufolie oder ein anderes Streuelement ausgebildet sein. Der Strahlformungsdiffusor erzeugt eine plateauförmige Flat-Top-Intensitätsverteilung in seinem Fernfeld, mit anderen Worten, mehrere Zentimeter entfernt von dem Strahlformungsdiffusor.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Strahlformungsdiffusor als ein rotierender oder ein sich seitlich bewegender Strahlformungsdiffusor ausgebildet. Die Struktur, die eine definierte Phasenverteilung aufweist und eine definierte Intensitätsverteilung in ihrem Fernfeld erzeugt, ist auf dem Strahlformungsdiffusor vorgesehen. Diese Struktur ist vorzugsweise ein Streuphasenprofil, das z. B. als eine Oberflächenreliefstruktur realisiert sein kann. Somit kann der Strahlformungsdiffusor eine rotierende Streuplatte bilden, die eine definierte Intensitätsverteilung vorsieht. Die definierte Intensitätsverteilung kann verwendet werden, um eine homogene Beleuchtung der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zu erhalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Strahlformungsdiffusor in Segmente unterteilt ist. Die Segmente sind mit Aktuatoren versehen, die derart angesteuert werden, dass eine dynamische randomisierte Phasenverteilung des Lichts erzeugt wird. Piezoelektrische Aktuatoren (PZT) oder andere Typen von Aktuatoren können als Aktuatoren für die einzelnen Segmente des Strahlformungsdiffusors vorgesehen werden. Diese Aktuatoren können verwendet werden, um eine dynamische Phasenrandomisierung vorzusehen, wenn sie mit den kleinen Segmenten des Strahlformungsdiffusors kombiniert werden. Piezoelektrische Aktuatoren sehen z. B. eine schnelle Bewegung bei einer angemessen hohen Amplitude unter Verwendung von Spitzenvergrößerungsstrukturen vor. Mittels eines derartigen rotierenden segmentierten Strahlformungsdiffusors kann z. B. eine schnelle synchronisierte Bewegung im Bereich von etwa 100 µm implementiert werden. Es ist auch möglich, einen gepulsten Schwingspulenbetrieb, der mit der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung synchronisiert ist, zu verwenden. Dieser gepulste Schwingspulenbetrieb kann eine angemessene Amplitude der Bewegung der Segmente des Strahlformungsdiffusors im Millisekundenbereich (ms-Bereich) vorsehen. Somit können z. B. piezoelektrische Aktuatoren mit Hebelstrukturen, d. h., Biegungsaktuatoren, bimorphe Biegeeinrichtungen, die eine Bewegung bis zu mehreren mm vorsehen, oder bimorphe Scheibenaktuatoren, die eine verstärkte Bewegung vorsehen, verwendet werden, um ein Segment von mehreren mm² innerhalb 1 ms nur entlang ≥ 100 µm zu bewegen. Unter Verwendung einer synchronisierten Gegentaktmethode können zwei Zyklen für die Operation, d. h., das Bewegen in einer Richtung und das Rückwärtsbewegen, verwendet werden. Somit ist bei einer derartigen Vorgehensweise keine rotierende Streuplatte erforderlich. Die seitliche Verschiebungsoperation der randomisierten Phasenstruktur wird durch eine seitliche Bewegung realisiert, die mit der Taktung der Lichtquellen synchronisiert ist. Wenn eine Lichtquelle eingeschaltet ist, ist das dynamische randomisierte Phasenmuster auch eingeschaltet. Mit anderen Worten, die seitlichen Verschiebungen sind eine Alternative zu den rotierenden randomisierten Phasenstrukturen.
Eine ausgedehnte Lichtquelle kann vorteilhaft durch ein optisches System und die Strahlformungseinheit erzeugt werden. Die ausgedehnte Lichtquelle emittiert Licht mit einer plateauförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades und richtet es zu einer Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die die Subhologramme aufweist, um die räumliche Lichtmodulationseinrichtung der Anzeigevorrichtung zu beleuchten. Die ausgedehnte Lichtquelle emittiert eine komplexwertige Lichtverteilung.
Vorteilhaft kann die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, die in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorliegt, in einer Ebene der ausgedehnten Lichtquelle unter Verwendung einer komplexwertigen sinc-funktionsartigen Verteilung, die vorzugsweise für rechteckig geformte Subhologramme verwendet wird, oder einer komplexwertigen Bessel-Funktion, die vorzugsweise für kreisförmige Subhologramme verwendet wird, erzeugt werden.
Die Form der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, die in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorliegt, kann vorteilhaft an die Form der Subhologramme der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung anpassbar sein.
In einer Ebene der ausgehenden Lichtquelle kann vorzugsweise eine Aperturblende vorgesehen sein, um eine erforderliche Amplitudenverteilung des Lichts vorzusehen, das durch die ausgedehnte Lichtquelle emittiert wird. Diese Aperturblende kann ebenfalls verwendet werden, um störendes Licht zu blockieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Phasenfunktion, vorzugsweise eine Linsenfunktion, vorgesehen ist, um die vorgesehene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | von einer Fernfeldebene, die z. B. die Fourier-Ebene der kollimierten ausgedehnten Lichtquelle sein könnte, in eine Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zu verschieben. Das van-Cittert-Zernike-Theorem beschreibt, wie der Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Fourier-Ebene der ausgedehnten zu kollimierenden Lichtquelle berechnet werden muss. Im Allgemeinen ist die Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die mit der erforderlichen Kohärenz zu beleuchten ist, nicht die Fourier-Ebene der kollimierten ausgedehnten Lichtquelle. Um eine derartige Transformation zu ermöglichen, kann eine Linsenfunktion zu der komplexwertigen räumlichen Lichtverteilung der ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt werden. Diese zusätzliche Linsenfunktion gibt die Gelegenheit, die vorgesehene oder erforderliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | aus der Fourier-Ebene, wie sie durch das van-Cittert-Zernike-Theorien gegeben ist, in die Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zu verschieben. Diese zusätzliche Linsenfunktion kann als eine Feldlinsenfunktion der ausgedehnten Lichtquelle bezeichnet werden, die unter Verwendung einer einzigen Kollimationslinse oder durch eine Kollimationseinheit kollimiert wird, die mehrere optische Elemente aufweisen könnte. Die Feldlinsenfunktion verschiebt den Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, der z. B. unter Verwendung des van-Cittert-Zernike-Theorems erhalten wird, in die Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung. Somit können verschiedene holographische Anzeigevorrichtungen und verschiedene Beleuchtungsvorrichtungen der holographischen Anzeigevorrichtungen verschiedene Implementierungen dieser Linsenfunktion verwenden, die die räumliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in die Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung verschiebt.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass eine Amplitudenmaske und/oder eine Phasenmaske oder eine gedämpfte Phasenverschiebungsmaske in der Ebene wenigstens einer Lichtquelle oder in der Ebene der sekundären Lichtquelle vorgesehen ist. Die zugeschnittene Form der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist durch Zuschneiden der komplexwertigen Verteilung der durch eine Kollimationseinheit einer holographischen Anzeigevorrichtung kollimierten Lichtquelle vorgesehen.
Die Lichtstrahlen könnten zu einer erforderlichen Größe der ausgedehnten Lichtquellenebene aufgeweitet werden. Die Strahltaillen der Lichtstrahlen könnten in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle angeordnet werden. Diese Ebene weist z. B. ein Streuelement, wie z. B. eine rotierende Streuplatte auf, die eine dynamische Phasenrandomisierung und eine Strahlformung vorsieht. Zusätzlich weist diese Ebene eine Amplitudenverteilung auf, die durch eine Amplitudenmaske vorgesehen sein könnte. Diese Ebene weist auch eine Phasenverteilung auf, die durch eine Phasenmaske oder eine Phasenverschiebungsmaske vorgesehen sein könnte. Die Amplitudenverteilung und die Phasenverteilung können auch durch eine gedämpfte Phasenverschiebungsmaske vorgesehen werden. Weiterhin könnte eine Feldlinse in dieser Ebene oder nah bei dieser Ebene vorgesehen sein. Diese Ebene der zugeschnittenen komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle wird unter Verwendung einer Kollimationseinheit kollimiert. Das kollimierte Licht könnte unter Verwendung einer Volumengitter-Hintergrundbeleuchtungseinheit anamorphotisch gedehnt werden. Dann beleuchtet das Licht die räumliche Lichtmodulationseinrichtung. Es sollte sichergestellt sein, dass der Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in dieser Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung die gewünschte Form aufweist.
Im Allgemeinen ist die Lichtquelle eine ausgedehnte Lichtquelle mit einer komplexwertigen Verteilung. Eine Amplitudenverteilung kann unter Verwendung einer Amplitudenmaske vorgesehen werden. Die Amplitudenmaske kann in der Ebene der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle vorgesehen sein. Eine Phasenverteilung kann unter Verwendung einer Phasenmaske oder einer sogenannten Phasenverschiebungsmaske vorgesehen sein. Die Phasenmaske oder die Phasenverschiebungsmaske kann in der Ebene der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle vorgesehen sein. Beide Maskentypen, die Amplitudenmaske und die Phasenmaske (oder die Phasenverschiebungsmaske), können innerhalb einer einzigen Maske kombiniert sein, die eine gedämpfte Phasenverschiebungsmaske ist. Die Amplitudenmaske und die Phasenmaske (oder die Phasenverschiebungsmaske) oder eine kombinierte Amplituden-Phasen-Maske erzeugen eine komplexwertige Intensitätsverteilung des Lichts. Zusätzlich zu der komplexwertigen Intensitätsverteilung des in der Ebene der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle vorhandenen Lichts kann eine zeitlich variierende randomisierte Phasenverteilung innerhalb der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle implementiert sein, die durch eine Kollimationseinheit weiter entlang dem Lichtweg kollimiert werden kann. Die zeitlich variierende randomisierte Phasenverteilung kann unter Verwendung einer rotierenden Streuplatte oder einer sich schnell seitlich bewegenden Streufolie, die räumlich randomisierte Phasenstufen innerhalb eines Bereichs vorsieht, der größer oder gleich ±π ist, erzeugt werden. Somit kann in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle eine statische komplexwertige Verteilung mit einer randomisierten Phasenverteilung kombiniert werden, die eine schnelle zeitliche Fluktuation der lokalen Phase vorsieht, die innerhalb der ausgedehnten Lichtquelle vorhanden ist. Mit anderen Worten, ein einziger Phasentyp-Diffusor ist ausreichend. Dieser Diffusor kann verwendet werden, um eine homogene Beleuchtung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorzusehen. Auch kann dieser Diffusor verwendet werden, um dynamische randomisierte Phasenvariationen vorzusehen. Beide Funktionen könnten jedoch auch durch getrennte optische Elemente vorgesehen werden. Der Strahlformungsdiffusor kann auch verwendet werden, um die spezifischen Intensitätsverteilungen oder -verluste der optischen Leistung zu kompensieren, die z. B. auf die Hintergrundbeleuchtungseinheit zurückzuführen sind. Somit kann sich das realisierte Intensitätsprofil von einer Flat-Top-Intensitätsverteilung unterscheiden. Dies kann in einer Weise ausgeführt werden, dass die in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung schließlich erhaltene Intensitätsverteilung eine Flat-Top-Intensitätsverteilung ist. Mit anderen Worten, es können die Eigenschaften des gesamten optischen Systems berücksichtigt werden.
Im Fall der Verwendung einer rechteckig geformten Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | weist die Amplitudenverteilung eine zweidimensionale sinc-Funktion auf. Ein zusätzliches Apodisationsprofil, z. B. ein Gauß-Apodisationsprofil, kann entlang zwei Richtungen für eine zweidimensionale Kodierung verwendet werden, um zu berücksichtigen, dass die primäre sinc-Funktion eine begrenzte Bandbreite aufweist, d. h., in ihrer seitlichen Ausdehnung begrenzt ist. Die statische Phasenverteilung ist die einer sinc-Funktion.
Im Fall der Verwendung einer kreisförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist die Amplitudenverteilung zu einer Airy-Funktion äquivalent. Ein zusätzliches Apodisationsprofil, z. B. ein Gauß-Apodisationsprofil, kann entlang der radialen Ausdehnung der vorgesehenen ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden, um zu berücksichtigen, dass die primäre Airy-Funktion eine begrenzte Bandbreite aufweist, d. h., in ihrer seitlichen Ausdehnung begrenzt ist. Die statische Phasenverteilung ist die, die auf eine Airy-Funktion bezogen ist. Dies bedeutet die Phasenverteilung einer komplexwertigen Verteilung des elektrischen Feldes bildet die Airy-Funktion, die nur eine Intensitätsverteilung ist, die zum Quadrat der Verteilung des elektrischen Feldes proportional ist.
Im Fall der Verwendung einer nur vertikalen Parallaxe-Kodierung (VPO-Kodierung) und einer stabartig geformten Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | weist die Amplitudenverteilung eine eindimensionale sinc-Funktion auf. Es ist auch möglich, zwei sinc-Funktionen zu verwenden. Das Seitenverhältnis der Ausdehnung der beiden orthogonalen sinc-Funktionen könnte jedoch z. B. 60 zu 1 sein. Dies demonstriert, dass entlang der anderen Richtung, die die sogenannte inkohärente Richtung einer eindimensional kodierten holographischen Anzeigevorrichtung ist, eine plateauförmige Intensitätsverteilung verwendet werden kann. Dies bedeutet in der Praxis, dass eine sinc-Funktion nur entlang einer Dimension vorliegt. Mit anderen Worten, eine eindimensionale sinc-Funktion ist für eine eindimensionale Kodierung eines Hologramms ausreichend.
Ein zusätzliches Apodisationsprofil, z. B. ein Gauß-Apodisationsprofil, kann auch entlang zwei Richtungen verwendet werden, um zu berücksichtigen, dass die primäre sinc-Funktion eine begrenzte Bandbreite aufweist, d. h., in ihrer seitlichen Ausdehnung begrenzt ist. Die statische Phasenverteilung ist die einer sinc-Funktion, die wenigstens entlang einer Richtung vorliegt.
Der randomisierte dynamische phasenvariierende Teil der Intensitätsverteilung der ausgedehnten Lichtquelle kann der gleiche für alle drei vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen sein. Dies gilt auch für die Linsenfunktion, die die vorgesehene oder erforderliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in die Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung verschiebt.
Vorteilhaft kann ein Streuelement oder die Strahlformungseinheit in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle zum Erzeugen einer zeitlich variierenden randomisierten Phasenverteilung vorgesehen sein. Das Steuerelement oder die Strahlformungseinheit kann räumlich randomisierte Phasenstufen innerhalb eines Bereichs vorsehen, der größer oder gleich ±π ist. Weiterhin kann das Streuelement oder die Strahlformungseinheit eine räumlich randomisierte Phasenverteilung vorsehen, die zugeschnitten ist, um zu einer flat-top-artigen Intensitätsverteilung zu führen, die in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorhanden ist.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass ein Apodisationsprofil vorgesehen ist, um die Nebenmaxima im Beugungsmuster der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades zu unterdrücken. Das Apodisationsprofil kann zu einer komplexwertigen Verteilung der ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass im Fall der Verwendung einer eindimensionalen Kodierung eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung ein Volumengitter vorgesehen ist, um das Licht entlang einer Richtung auszudehnen, um eine eindimensionale Lichtintensitätsverteilung zu erzeugen. Das Licht, das kombiniert werden kann, wird entlang einer Richtung ausgedehnt, um eine eindimensional vorgeformte Intensitätsverteilung vorzusehen. Ein Volumengitter, z. B. ein auf Bragg-Beugung basierendes Volumengitter, kann vorgesehen sein, um eine derartige eindimensionale Intensitätsverteilung vorzusehen. Das Volumengitter kann oben auf einem transparenten Substrat vorgesehen sein. Der Beugungswinkel des Volumengitters, der RGB-gemultiplext (die Primärfarben Rot, Grün und Blau) sein kann, kann z. B. 87 Grad betragen, was zu einem Dehnungsfaktor von 20 für die eindimensionale Strahldehnung führt, die als eine anamorphe Strahldehnung bezeichnet wird. Die eindimensionale gedehnte Intensitätsverteilung kann dann verwendet werden, um die Strahlformungseinheit zu beleuchten, die eine Flat-Top-Intensitätsverteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in ihrem Fernfeld erzeugt. Mit anderen Worten, für eine eindimensionale Kodierung eines Hologramms muss eine Lichtlinie verwirklicht sein, um einen Sweet-Spot in einer Betrachterebene aufzuspannen. Die erforderliche Dehnung des Lichts kann in der Beleuchtungsvorrichtung unter Verwendung einer volumengitterbasierten Strahldehnung, z. B. unter Verwendung eines 10x-Volumengitters, implementiert sein. Eine Volumengittergeometrie von z. B. 84,26 Grad in PMMA (Polymethylmethacrylat) als das transparente Substrat würde z. B. die Anforderung einer komplexen Antireflexionsbeschichtung auf dem transparenten Substrat vermeiden. Es ist auch möglich, ebenfalls andere Dehnungskomponenten wie anamorphotische Prismen in Reihe, z. B. drei bis vier Prismen, oder einen Gauß-zu-Linien-Flat-Top-Strahlformer zu verwenden.
Alternativ kann im Fall der Verwendung einer eindimensionalen Kodierung eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung eine Powell-Linse vorgesehen sein, um das Licht entlang einer Richtung zu dehnen, um eine eindimensionale Lichtintensitätsverteilung zu erzeugen. Eine Powell-Linse kann auch verwendet werden, um aus einem Laserstrahl, z. B. einem Gauß-Laserstrahl, eine Lichtlinie zu erzeugen. Die durch die wenigstens eine Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen können die Powell-Linse beleuchten, um eine eindimensionale Lichtlinie zu erzeugen.
Die kompakteste Art und Weise, um eine Strahlformungseinheit mit einer eindimensionalen Lichtlinie oder Lichtintensitätsverteilung zu beleuchten, ist die Verwendung eines Volumengitters, das auf der Bragg-Beugung basieren kann, und das die erforderliche Strahldehnung einführt.
Eine zugeschnittene räumliche Verteilung eines Betrags eines komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | von eindimensional kodierten Anzeigevorrichtungen stellt einen wichtigen Vorteil bereit. Benachbarte Spalten oder Zeilen der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung sind zueinander inkohärent. Die Wirkung dieser zugeschnittenen räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist, dass die Bilder von horizontal/vertikal benachbarten Objektpunkten, die auf der Netzhaut eines Auges eines Betrachters erzeugt werden, mit anderen Worten, die durch benachbarte Spalten/Zeilen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung erzeugten Bilder von Objektpunkten, zueinander inkohärent sind. Somit verursachen die Bilder benachbarter Objektpunkte kein kohärentes retinales Übersprechen zwischen Objektpunkten. Mit anderen Worten, kohärentes retinales Übersprechen zwischen Objektpunkten wird entlang der horizontalen/vertikalen Richtung des im Raum erzeugten dreidimensionalen Bildes vollständig unterdrückt. Der Begriff „retinales Übersprechen zwischen Objektpunkten“ ist auf die kohärente Überlagerung von benachbarten Punktspreizfunktionen (PSF) zurückzuführen, die schließlich auf der Netzhaut eines Auges eines Betrachters stattfindet. Im Raum erzeugte benachbarte Objektpunkte werden in benachbarte Punktspreizfunktionen transformiert, die auf der Netzhaut eines Auges eines Anwenders/Betrachters, der die Objektpunkte betrachtet, liegen. Das auf der Netzhaut des Auges des Betrachters erzeugte Interferenzmuster hängt von der komplexwertigen Verteilung benachbarter Punktspreizfunktionen ab, die zwei benachbarte 3D-Objektpunkte repräsentieren, die im Raum unter Verwendung einer Subhologramm-Kodierungstechnik erzeugt werden, wie z. B. in WO 2004/044659 A1 offenbart ist. Selbst geringe Phasenvariationen können z. B. eine signifikante Änderung der auf der Netzhaut des Auges des Betrachters erhaltenen Intensitätsverteilung verursachen und können somit durch den Betrachter detektiert werden. Ein Beispiel, das diese Überlagerung benachbarter Punktspreizfunktionen in Abhängigkeit von der gegenseitigen Kohärenz und dem gegenseitigen Phasenunterschied beschreibt, kann im Abschnitt 4.1.1 des Dokuments G. Fütterer, „UV-Shearing Interferometrie zur Vermessung lithographischer „Phase Shift“ Masken und VUV-Strukturierung‟, Progress in modern optics, Bd. 4, IOIP, MPF, Universität Erlangen-Nürnberg, 2005, ISBN: 3-932392-61-2, gefunden werden.
Im Allgemeinen können kohärente lange Seitenabstands-Interferenzeffekte unter Verwendung einer Subhologrammgröße oder einer zugeschnittenen Formverteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (SLM) unterdrückt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine statische oder dynamische Wellenfrontformung verwendet wird, um eine erhöhte Tiefenschärfe vorzusehen, die eine definierte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades enthält.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ferner durch eine Anzeigevorrichtung gelöst. Es ist eine Anzeigevorrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigevorrichtung, zur Rekonstruktion zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Objekte oder Szenen vorgesehen. Die Anzeigevorrichtung weist eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung auf. Die räumliche Lichtmodulationseinrichtung ist nach der Beleuchtungsvorrichtung, gesehen in Lichtausbreitungsrichtung, angeordnet.
Die Anzeigevorrichtung kann vorteilhaft eine Feldlinse oder eine Verbundfeldlinse aufweisen. Die Verbundfeldlinse kann wenigstens ein Volumengitter aufweisen.
Außerdem wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ferner durch ein Verfahren zum Beleuchten einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit einer Lichtintensitätsverteilung, die definierte Kohärenzeigenschaften aufweist, gelöst. Subhologramme werden zum Kodieren eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Emittieren von Licht durch wenigstens eine ausgedehnte Lichtquelle,
- Kollimieren des sich hinter der wenigstens einen ausgedehnten Lichtquelle ausbreitenden Lichts durch eine Kollimationseinheit,
- Erzeugen einer plateauförmigen Flat-Top-Verteilung eines Betrags eines komplexen Kohärenzgrades des Lichts in einer Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung durch eine Strahlformungseinheit, wobei die plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades eine Form aufweist, die wenigstens zu einer Form des größten Subhologramms ähnlich ist, das zum Kodieren von Objektpunkten in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet wird,
- Beleuchten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit der plateauförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades des Lichts.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten zum vorteilhaften Konfigurieren und Verfeinern der Lehre der vorliegenden Erfindung und/oder zum Kombinieren der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander - soweit es möglich ist. In dieser Hinsicht wird einerseits auf die Patentansprüche, die von den unabhängigen Patentansprüchen abhängig sind, und andererseits auf die folgende Erklärung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung Bezug genommen. Im Zusammenhang mit der Erklärung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung werden die bevorzugten Konfigurationen und Verfeinerungen der Lehre außerdem im Allgemeinen erklärt.
In der Zeichnung zeigt:

1 eine Pixelanordnung einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine erste Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine zweite Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine dritte Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine Strahlformungseinheit, die mehrere Segmente aufweist;
6 eine allgemeine Ausführungsform einer vorgesehenen komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle, die in einer Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
7 eine Zeilenabtastung einer Intensität einer Airy-Verteilung, die zum Quadrat der Amplitude a und der entsprechenden Phasenverteilung φ proportional ist;
8 eine sinc-förmige Amplitudenverteilung a_LS , die in einer Ebene der ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden kann; wobei die Intensitätsverteilung zu dem Quadrat der Amplitudenverteilung proportional ist;
9 ein dreidimensionales Konturdiagramm einer sinc-förmigen Amplitudenverteilung a_LS , die in einer Ebene der ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden kann; wobei eine Gauß-Apodisation in der x-Richtung und der y-Richtung angewendet ist;
10 ein binäres Phasenprofil φ_LS bezüglich den 8 und 9 (weiß: π/2, schwarz: -π/2, wobei 2 × π zu einer diskreten Wellenlänge äquivalent ist, die z. B. λ_B = 450 nm, λ_G = 520 nm oder λ_R = 640 nm ist);
11 in Draufsicht ein Konturdiagramm einer räumlichen Verteilung eines Betrags eines komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in einer Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die unter Verwendung der Amplitudenverteilung a_LS nach 9 und der in 10 gezeigten binären Phasenverteilung φ_LS erhalten wird;
12 ein dreidimensionales Konturdiagramm der in 11 gezeigten Verteilung;
13 ein Bild der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in den 11 und 12 gezeigt ist;
14 die räumliche Verteilung der Amplitude a_LS der komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle, die für eine zweidimensionale Kodierung und rechteckig geformte Subhologramme optimiert ist, wobei 14 auf den Fall einer eindimensionalen Kodierung, die in 9 gezeigt ist, bezogen ist; wobei eine Gauß-Apodisation enthalten ist;
15 ein binäres Phasenprofil ϕ_LS einer zweidimensionalen komplexwertigen sinc-Funktion, das auf den Fall einer in 10 gezeigten eindimensionalen Kodierung bezogen und nun für eine zweidimensionale Kodierung und rechteckig geformte Subhologramme optimiert ist;
16 eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die auf 11 bezogen und nun für eine zweidimensionale Kodierung und rechteckig geformte Subhologramme optimiert ist;
17 ein dreidimensionales Konturdiagramm der Verteilung |µ₁₂ | nach 16;
18 eine Airy-förmige äquivalente Amplitudenverteilung a_LS einer komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle, die für eine zweidimensionale Kodierung unter Verwendung kreisförmiger Subhologramme optimiert ist; wobei eine Gauß-Apodisation angewendet wird; wobei die Intensitätsverteilung der ausgedehnten Lichtquelle zum Quadrat der Amplitudenverteilung proportional ist;
19 eine Phasenverteilung ϕ_LS , die mit der Amplitudenverteilung a_LS nach 18 kombiniert werden sollte, um eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu erreichen, die für eine zweidimensionale Kodierung und kreisförmige Subhologramme optimiert ist;
20 eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die für eine zweidimensionale Kodierung und kreisförmige Subhologramme optimiert ist, bezüglich 11, aber für einen zweidimensionalen Fall optimiert;
21 eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die für eine zweidimensionale Kodierung und kreisförmige Subhologramme optimiert ist, bezüglich 12, aber für einen zweidimensionalen Fall optimiert;
22 eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die für eine zweidimensionale Kodierung und kreisförmige Subhologramme optimiert ist, bezüglich 13, aber für einen zweidimensionalen Fall optimiert;
23 eine Kollimationseinheit, die hinter einem Abtastspiegelelement angeordnet ist, als ein Beispiel einer Implementierung einer scannenden Beleuchtung, hier vor einer keilförmigen Beleuchtungseinheit;
24 den lokalen Unterschied der optischen Weglänge, der zwischen der am Eingang der keilförmigen Beleuchtungseinheit angeordneten Kollimationseinheit und der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorhanden ist; und
25 eine Vorrichtung, die eine schnelle Dynamikänderung der Krümmung einer Wellenfront zur Verwendung in einer Abtastbeleuchtungsvorrichtung vorsehen kann.

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten in den einzelnen Figuren und der beigefügten Beschreibung, soweit vorgesehen. In den folgenden Abschnitten bedeuten die Bezeichnungen „vor“ und „hinter“, z. B. vor der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, das Licht, bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Lichts gesehen.
1 zeigt eine Pixelanordnung einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die im Folgenden als SLM bezeichnet wird, die für eine eindimensionale nur vertikale Parallaxe-Kodierung (VPO) holographischer dreidimensionaler (3D) Objekte oder Szenen verwendet werden kann. Dies repräsentiert eine freie Aperturverteilung eines komplexwertigen Sandwich-SLM. Der SLM kann z. B. durch das Anordnen eines transmissiven Amplituden-SLM vor einem transmissiven Phasen-SLM (A+P-SLM), gesehen in Lichtausbreitungsrichtung, gebildet werden. Wie aus dieser 1 ersichtlich ist, ist eine vertikale Pixelapertur viel kleiner als eine horizontale Pixelapertur. Dies kann für eindimensionale spaltenförmige Subhologramme verwendet werden. Die durch den SLM vorgesehenen Subhologramme können eindimensionale spaltenartige Beugungslinsen sein. Ein Abstand zwischen der Eintrittsapertur des A+P-SLM-Sandwiches und einer Austrittsapertur sollte einen Faktor zehnmal die kleinste Apertur der verwendeten Pixel nicht überschreiten. Dies gilt für einen Brechungsindex, der zwischen den beiden SLM A+P vorhanden ist, von z. B. n = 1,5. In diesem Beispiel muss eine kleine vertikale Ausdehnung der freien Apertur der gezeigten Pixel berücksichtigt werden. Das für benachbarte Spalten des SLM nach 1 verwendete andere Füllmuster gibt die Verwendung vertikal orientierter Farbfilterstreifen an. Die Verwendung von RGB-artigen Farbfilterstreifen (Rot, Grün, Blau) kann eine Option für eine eindimensionale Hologrammkodierung sein, die als VPO bezeichnet wird. Die gezeigte Pixelgröße und Pixelform beziehen sich auf eine holographische Anzeigevorrichtung unter Verwendung nur vertikaler Parallaxe, die in einem Abstand von z. B. 0,6 m vor einem Betrachter angeordnet sein kann.
Im folgenden Abschnitt werden beispielhafte Anordnungen verwendet, um das Zuschneiden einer in einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Lichtquelle zu beschreiben. Eine holographische Anzeigevorrichtung kann verwendet werden, die eine Diagonale von 14", d. h., d = 355 mm, aufweist. Das Seitenverhältnis kann 16:9 sein, was zu einer Breite von etwa w = 310mm und einer Höhe von etwa h = 175mm führt. Eine in der Anzeigevorrichtung verwendete Feldlinse kann eine Brennweite von f_cFL = 1 m aufweisen. Der Begriff cFL in f_CFL gibt eine Verbundfeldlinse an. Für eine derartige Verbundfeldlinse kann eine Volumengitter-Feldlinse verwendet werden, die ein erstes Volumengitterelement, das z. B. eine Vorbeugung von 0 Grad der ebenen Welle bis 30 Grad der ebenen Welle innerhalb eines Mediums mit einem Brechungsindex von z. B. n = 1,5 realisiert, und ein zweites Volumengitterelement, das eine Geometrie der Rekonstruktion z. B. einer ebenen Welle bei 30 Grad innerhalb eines Mediums mit einem Brechungsindex von z. B. n = 1,5 zu einem Brennpunkt bei z. B. 0 Grad und f = 1 m in Luft aufweist, aufweist. Die Kombination dieser beiden Volumengitterelemente, 0 Grad/30 Grad und 30 Grad zum Brennpunkt führt zu einer volumengitterbasierten on-axis-Feldlinse.
Um ein farbiges dreidimensionales Bild im Raum zu rekonstruieren und anzuzeigen, kann die Beleuchtungsvorrichtung drei Lichtquellen mit einer Lichtquelle für jede Farbe (RGB) aufweisen. Die Wellenlängen, die von den drei Lichtquellen emittiert werden und verwendet werden, um den SLM zu beleuchten, sind z. B. λ_B = 457 nm, λ_G = 532 nm und λ_R = 647 nm. Die Pixelgeometrie kann durch Λ_x = 135 µm, Λ_y = 35 µm, CA_x = 85 µm und CA_y = 18 µm definiert sein, wobei x die horizontale Richtung definiert, y die vertikale Richtung definiert, Λ der Pitch des SLM ist und CA die freie Apertur eines einzelnen Pixels ist. Die Amplitudenverteilung der SLM-Ebene kann zu der in 1 gezeigten Amplitudenverteilung äquivalent sein. Die Amplitudenverteilung des gezeigten SLM-Panel kann die eines Amplitudenmodulationspanels, die eines Phasenmodulationspanels oder die eines komplexwertigen Amplituden- + Phasenmodulations-SLM-Sandwiches sein.
Ein komplexwertiges SLM-Sandwich, das z. B. ein Phasenmodulationspanel vor einem Amplitudenmodulationspanel verwendet, kann für eine zweidimensionale (2D) Kodierung einer holographischen dreidimensionalen (3D) Szene verwendet werden. Mit anderen Worten, die in 1 gezeigte grundlegende Pixelanordnung kann auch zur Erklärung einer zweidimensionalen Kodierung eines Hologramms verwendet werden.
Ein komplexwertiges SLM-Sandwich kann mit einer Farbstreifenanordnung, z. B. einer vertikal orientierten Farbstreifenanordnung, versehen sein, die in Spalten angeordnete Farbfilterstreifen aufweist. Ein SLM-Sandwich mit spaltenartig verschachtelten RGB-Farbfilterstreifen kann für eine eindimensionale (1D) nur vertikale Parallaxe-Kodierung (VPO-) einer holographischen dreidimensionalen Szene verwendet werden. Es ist auch möglich, eine horizontal orientierte Farbstreifenanordnung zu verwenden. Dieser Typ von SLM-Sandwich, mit alternierenden RGB-Farbfilterstreifen, kann für eine eindimensionale (1D) nur horizontale Parallaxe-Kodierung (HPO-) einer holographischen dreidimensionalen Szene verwendet werden. Die Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, kann auch zur Erklärung der eindimensionalen Kodierung eines Hologramms verwendet werden.
Es ist wichtig, zu erkennen, dass es hier zwei verschiedene Situationen gibt, die zweidimensionale Kodierung (die im Folgenden als 2D-Kodierung bezeichnet wird) und die eindimensionale Kodierung (die im Folgenden als 1D-Kodierung bezeichnet wird). Für eine 1D-Kodierung gibt es einen Sweet-Spot in einer Richtung in einer Betrachterebene, die z. B. die horizontale Richtung sein kann. Innerhalb der anderen Richtung, die z. B. die vertikale Richtung sein kann, gibt es ein Betrachterfenster oder einen Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene, durch das bzw. den ein Betrachter die vertikale Parallaxe einer dreidimensionalen Szene sehen oder betrachten kann. Dies ist zu einer nur vertikalen Parallaxe-Rekonstruktion (VPO) einer holographischen Szene äquivalent. Zwei verschiedene Ansichten werden den beiden Augen des Betrachters dargestellt.
Das Betrachterfenster/Sichtbarkeitsbereich kann z. B. zwischen der 0. und einer der 1. Beugungsordnungen des durch den SLM erzeugten Beugungsmusters aufgespannt sein. Für eine 1D-Kodierung muss in Abhängigkeit von der erforderlichen Parallaxe nur die vertikale Richtung oder die horizontale Richtung berücksichtigt werden. Der Einfachheit halber beziehen sich die folgenden Erklärungen in den Beschreibungen auf ein nur vertikale Parallaxe-Hologramm oder -Rekonstruktion. Verschiedene Größen des Betrachterfensters, z. B. VW_x_blau = 3,4 mm, VW_y_blau = 13,1 mm, VW_x_grün = 3,94 mm, VW_y_grün = 15,2 mm, VW_x_rot = 4,8 mm und VW_y_rot = 18,5 mm, können mit der Pixelgeometrie und der Brennweite der oben offenbarten Feldlinse erhalten werden. Es kann realisiert werden, dass für eine 2D-Kodierung die horizontale Ausdehnung des Betrachterfensters etwas größer als die Eintrittspupille des menschlichen Auges ist, die z. B. nur ∅_Auge = 3 mm ist. Somit ist die vertikale Ausdehnung des Betrachterfensters größer als erforderlich. Die Genauigkeit einer in der Anzeigevorrichtung vorgesehenen Nachführungseinheit zum Detektieren der Position des Auges des Betrachters und zum Richten des Lichts auf die richtige Position des Auges des Betrachters in der Betrachterebene beträgt z. B. 1 mm. Dies bedeutet, dass eine vertikale Ausdehnung des Betrachterfensters von z.B. VW_y_blau = 13,1 mm, die zu einem Winkelbereich von nur θ_vertikal = ±0,375 Grad äquivalent ist, annehmbar sein sollte.
Die inkohärente Richtung des Lichts, die den Sweet-Spot der 1D-codierten Anzeigevorrichtung bildet, weist ein Winkelspektrum von gegenseitig inkohärenten ebenen Wellen von z. B. ±0,5 Grad auf. Dies ist in der Beleuchtungseinheit vorgesehen, die z. B. eine Hintergrundbeleuchtungseinheit ist. Dies bedeutet, dass es bereits ein breites Planwellenspektrum gibt. Wenn z. B. eine minimale Breite des Betrachterfensters und des Sweet-Spots von 10 mm bei einer Brennweite von 1 m gewählt würde, dann würde dies zu einem Winkelbereich von nur ±0,286 Grad äquivalent sein. Dies bedeutet, dass ein Winkelspektrum von gegenseitig inkohärenten ebenen Wellen entlang der inkohärenten Richtung verwendet werden kann, das einen Winkelbereich von nur ±0,286 Grad aufspannt. Wie bereits bekannt, sind der Winkelbereich, der z. B. aufgrund der Beugung, z. B. einer einzigen ebenen Welle, die auf den SLM auftritt, aufgespannt werden könnte, und das Planwellenspektrum oder das Winkelspektrum von gegenseitig inkohärenten ebenen Wellen verschiedene Begriffe.
Die Winkelauflösung des menschlichen Auges beträgt 1/60 Grad, was ±1/120 Grad bedeutet. Innerhalb der kohärenten Richtung, die (für eine 1D-Kodierung) die vertikale Richtung oder (für eine 2D-Kodierung) die vertikale und die horizontalen Richtungen sein kann, muss das Planwellenspektrum des Beleuchtungslichts des SLM kleiner oder gleich diesem Winkelbereich sein, um ein Verschmieren der rekonstruierten dreidimensionalen Szene zu vermeiden.
Für eine 1D-kodierte Anzeigevorrichtung kann die Beleuchtungsvorrichtung wenigstens eine schlitzartige Lichtquelle aufweisen. Es könnte z. B. eine einfache Beleuchtung angenommen werden, die ein außeraxiales Parabolspiegelelement mit, der Einfachheit halber, der gleichen Brennweite wie die kombinierte Volumengitter-Feldlinse in der Anzeigevorrichtung verwendet, d.h., f_Beleuchtung = 1 m. Ein Winkelbereich von ±1/120 Grad ist zu einer Lichtquellemit einer seitlichen Ausdehnung von 0,3 mm äquivalent. Auch ist ein Winkelbereich von ±0,286 Grad zu einer Lichtquelle mit einer Ausdehnung von 10 mm äquivalent. Mit anderen Worten, wenn eine Brennweite von f_Beleuchtung = 1 m für eine 2D-kodierte Anzeigevorrichtung verwendet wird, kann eine ausgedehnte Lichtquelle mit einem Durchmesser von ∅_⊗ = 0,3 mm implementiert werden. Das Planwellenspektrum des Lichts, das verwendet wird, um den SLM in einer kohärenten Weise zu beleuchten, muss sich ungeachtet der Brennweite der in der Anzeigevorrichtung verwendeten Feldlinse immer innerhalb des Bereichs von nur ±1/120 Grad befinden. Dies unterscheidet sich von der inkohärenten Richtung, die in einer 1D-kodierten Anzeigevorrichtung verwendet wird. Der Sweet-Spot muss eine Ausdehnung von 10 mm aufspannen. Dies hängt von der Brennweite der in der Anzeigevorrichtung verwendeten Feldlinse ab.
Es kann eine Lichtquellenfläche von z. B. dx = 0,3 mm und dy = 10 mm für eine 1D-kodierte Anzeigevorrichtung, die ein nur vertikales Parallaxe-Hologramm (VPO) und eine Kollimationseinheit mit einer Brennweite von 1 m vorsieht. Die Lichtquellenfläche ähnelt einem Schlitz, der in diesem Beispiel ein Seitenverhältnis von 1 zu 33,3 aufweist.
Eine dynamische Streuebene in der Beleuchtungsvorrichtung hat die Funktion, eine dynamische randomisierte Phasenverteilung vorzusehen. Eine Option könnte sein, ein rotierendes Streuelement, wie eine rotierende Streuplatte, innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung einer vorzugsweise holographischen Anzeigevorrichtung zu verwenden.
Für eine 2D-Kodierung könnte ein Lichtstrahl oder drei Lichtstrahlen (falls drei Lichtquellen vorgesehen sind) auf eine Ebene einer zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle fokussiert werden, die ein Teil der Beleuchtungsvorrichtung ist. Alternativ kann eine Austrittsebene einer Multimode-Faser, die als eine primäre Lichtquelle verwendet wird, auf die Ebene der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle abgebildet werden. Wie vorher offenbart, sollte für eine 2D-Kodierung eine ausgedehnte Lichtquelle mit einem Durchmesser von ∅_⊗ = 0,3 mm vorteilhaft erzeugt werden.
Die folgende Erklärung bezieht sich auf die für jede Farbe separate Anpassung des Planwellenspektrums.
Es gibt mehrere Optionen, um eine (farbige) RGB-Beleuchtung zu erreichen. Die durch drei Lichtquellen emittierten drei Lichtstrahlen können auf dieselbe Streuebene fokussiert werden oder jede Farbe kann eine einzelne Lichtquellenebene aufweisen. Eine Farbkombinationseinheit kann vor einem achromatischen oder apochromatischen optischen System verwendet werden, das für eine Kollimation des Lichts verwendet werden kann. Somit kann das Planwellenspektrum für jede Farbe separat optimiert werden. Der Nachteil der Verwendung einer einzigen Streuebene für alle Farben ist, dass eine einzige Streuebene einen Streuwinkel einführt, der von der verwendeten Wellenlänge abhängt. Somit wird das blaue Licht eine angemessene homogene Intensitätsverteilung innerhalb einer Apertur einer Kollimationseinheit oder innerhalb einer Austrittsebene der Kollimationseinheit erzeugen, während das rote Licht einen viel größeren Streuwinkel und somit einen viel höheren Verlust optischer Leistung erzeugt.
Wenn ein komplexwertiger SLM in der Anzeigevorrichtung verwendet wird, der auf der Strahlkombination benachbarter Phasenpixel basiert, erfordert die optimale Präparation der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades verschiedene komplexwertige Verteilungen innerhalb der Lichtquellenebene für jede Farbe.
Drei getrennte Lichtquellenebenen können innerhalb einer sehr kompakten Anordnung realisiert werden. Ein Ende einer optischen Faser, die als die Lichtquelle wirkt, die eine optische Multimode- oder Monomode-Faser sein kann, kann z. B. unter Verwendung eines sogenannten Steinheil-Tripletts auf eine dynamisch randomisierte Phasenebene abgebildet werden. Die Abbildungspaare achromatischer Doubletten oder asphärischer Linsen können verwendet werden, die keine 1:1-Abbildung, sondern z. B. stattdessen eine 1:5-Abbildung realisieren. Die für eine der drei Designwellenlängen optimierten asphärischen Linsen können auch einen kompakten Aufbau innerhalb einer Beleuchtungsvorrichtung unter Verwendung einer getrennten RGB-Kohärenzpräparation vorsehen.
Zurück zu der vorher offenbarten beispielhaften Ausführungsform, die Verwendung einer Brennweite von f = 1 m für die Kollimationseinheit und einer Brennweite von f = 1 m für die Feldlinse führt zu einem Durchmesser der Lichtquelle von ∅_⊗ = 0,3 mm, wenn eine 2D-Kodierung verwendet wird, und einer Lichtquellengröße von dx = 0,3 mm und dy = 10 mm, wenn eine 1D-Kodierung verwendet wird. Es kann gesehen werden, dass z. B. ein elliptisches Strahlprofil einer Laserdiode als Lichtquelle mit einer Elliptizität von z. B. 1:3 in einem rechten Winkel orientiert sein kann, um die Energieübertragung zu maximieren. Ein weiteres Ausdehnen des Lichts wird gefordert, um ein Seitenverhältnis von z. B. 1:33 zu realisieren, das für die innerhalb einer 1D-kodierten Anzeigevorrichtung verwendete Lichtquelle erforderlich sein kann. Refraktive oder diffraktive Strahlformung oder eine zylindrische Linse können verwendet werden, um eine eindimensionale Ausdehnung des Lichts zu erhalten.
Die Verwendung einer diffraktiven Hintergrundbeleuchtungseinheit in der Beleuchtungsvorrichtung ändert die diskrete Größe der Lichtquelle. Es könnte z. B. eine Kollimationslinse mit f = 400 mm vor einer volumengitterbasierten Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet werden, die eine zweimalige 10x anamorphotische Strahldehnung vorsieht.
Das Winkelspektrum von gegenseitig inkohärenten ebenen Wellen ist eine Randbedingung, die berücksichtigt werden muss, wie bereits offenbart. Das Planwellenspektrum des Lichts, das ein Gitter beleuchtet, wird - aufgrund der Gitterbeugungsgleichung - in Abhängigkeit von dem Beugungswinkel geändert und kann nur für kleine Beugungswinkel als unverändert behandelt werden. Die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades muss so gering wie möglich gewählt werden, d. h., bei gegenseitigen Abständen, die nicht miteinander interferieren sollten. Der an dem größten positiven z-Wert (am nächsten beim Betrachter) angeordnete Objektpunkt definiert den zu verwendenden Bereich der gegenseitigen Kohärenz, der die Größe oder die Form des größten Subhologramms sein sollte. Für gegenseitige Abstände der Pixel des SLM, die interferieren sollten, muss ein Wert des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | nah bei Eins verwirklicht sein. Die Realisierung der verringerten gegenseitigen Kohärenz bei gegenseitigen Abständen der Pixel des SLM, die nicht miteinander interferieren sollten, bedeutet die Verwendung eines zugeschnittenen Planwellenspektrums. Mit anderen Worten, der SLM muss mit einem Planwellenspektrum beleuchtet werden, das keine ebene Welle ist. Eine Punktlichtquelle würde nicht der beste Weg sein, um dies zu realisieren. Deshalb könnte ein Lichtstrahl-Gütefaktor von M > 1 annehmbar sein, solange wie sich das Planwellenspektrum, das schließlich in der Eintrittsebene des SLM vorliegt, innerhalb des erforderlichen Bereichs befindet, der z. B. ≤ 1/60 Grad entlang der kohärenten Richtung und z. B. ≤ 0,5 Grad entlang der inkohärenten Richtung ist. Der Wert für die inkohärente Richtung gilt nur für eine eindimensionale Kodierung. Dies bedeutet, dass eine ausgedehnte Lichtquelle bevorzugt wird. Auch ist eine ausgedehnte Lichtquelle durch das Winkelspektrum von gegenseitig inkohärenten ebenen Wellen gekennzeichnet. Dies muss in einer definierten Weise verwirklicht werden. Dies ist der Grund, warum dynamische Streuelemente implementiert werden können. Diese Elemente können z. B. an PZT (das z. B. aus Blei-Zirkonat-Titanat hergestellt ist) oder Schwingspulenelementen angebracht sein, die Seitwärtsbewegungen des Verschiebungstyps entlang einer Dimension oder entlang zwei Dimensionen realisieren. Eine weitere Option kann sein, Streuelemente an einem Motor anzubringen und eine rotierende Streuplatte zu realisieren. Beide Konzepte können innerhalb einer Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden. Das Planwellenspektrum, das innerhalb einer keilförmigen Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet wird, die auf einer 10x-Strahldehnung basiert, ist zehnmal das Planwellenspektrum, das für die Beleuchtung des SLM gefordert wird. Ein Wert von 1/6 Grad ist infolge der Tatsache, dass das Planwellenspektrum um einen Faktor von 10 verringert wird, wenn innerhalb der keilförmigen Hintergrundbeleuchtungseinheit eine 10x-Vergrößerung verwendet wird, ein praktischer Wert für das Planwellenspektrum. Somit wird ein Eingangswert von 1/6 Grad unter Verwendung der 10-fachen Strahldehnung in einen Ausgangswert von 1/60 Grad transformiert.
Aufgrund der Gittergleichung, die verwendet werden kann, um den Aspekt des Planwellenspektrums von z. B. einer diffraktiven keilförmigen Hintergrundbeleuchtungseinheit zu beschreiben, wird eine geringfügig unsymmetrische Verkleinerung des Planwellenspektrums erhalten. Ein Eintrittswinkel von z. B. -(84,2608 ± 0,7) Grad führt zu einem Austrittswinkel von (0 + 0,0743 - 0,0657) Grad. Dies bedeutet, dass das Einengen des Planwellenspektrums, das auf die 10x-Strahldehnung zurückzuführen ist, geringfügig unsymmetrisch, aber etwa 1/10 ist. Für Winkel, die etwas größer als 84,2608 Grad sind, ist der Strahldehnungsfaktor leicht größer als 10, während für Winkel, die etwas kleiner als 84,2608 Grad sind, der Strahldehnungsfaktor leicht kleiner als 10 ist. Dies führt zu einem geringfügig unsymmetrischen Einengungs- oder Verkleinerungsfaktor des Planwellenspektrums, der etwa 1/10 beträgt.
Ein Element, das eine schnelle statistische randomisierte Änderung der innerhalb des Bereichs der ausgedehnten Lichtquelle vorhandenen Phasenwerte vorsieht, muss an die erforderliche Bildfrequenz (Bilder pro Sekunde, fps) angepasst werden. RGB für vier Betrachter und für jedes rechte und linke Auge führt z. B. bei 60 Hz fps zu 24 × 60 Hz = 1440 Hz. Dieser Wert muss durch eine Nachführungseinheit vorgesehen werden, die z. B. eine auf in-plane rotierende LC (Flüssigkristall) basierende aktiv gesteuerte Gittereinheit sein kann. Ein zeitsequentieller RGB-SLM muss bei 1440 Hz/4 = 360 Hz arbeiten. Das Zeitfenster, das für „Lichtquelle AN“ verwendet werden kann, ist leicht kleiner als 1/1440 s, d.h., nur 1/1600 Sekunde. Im Allgemeinen können Laserdioden als Lichtquellen dies vorsehen. Wenn aber Laser als Lichtquellen verwendet werden, die nicht so schnell moduliert werden können, können schnelle Shutter verwendet werden. Diese Elemente können z. B. auf LC, dispergierte LC-Volumengitter, akustischen optischen Modulatoren (AOM), sättigungsabhängigen Absorptionsfiltern, auf PZT oder sogar auf MEMS-Technik (micro-electro-mechanical system) basieren. Die PZT-Elemente realisieren z. B. Frequenzen von 24 kHz. Diese Frequenzen können auch unter Verwendung von Schwingspulen-Aktuatoren erhalten werden. Es könnte nur eine Sub-100-µm-Bewegung erforderlich sein, um eine ausreichende Randomisierung der Phasenverteilung der Lichtquellen vorzusehen. Die diskreten Werte sind von den diskreten Ausführungsformen abhängig. Das Ende einer Multimode-Faser kann vor der dynamischen Streuebene angeordnet sein. Es ist auch praktisch, die drei Enden der drei optischen Multimode-Fasern auf die dynamische Streuebene abzubilden. Dies gibt die Gelegenheit, geringfügige Verschiebungen zwischen der roten, der grünen und der blauen Lichtquelle zu implementieren, was zu geringfügig verschiedenen Austrittswinkeln führt, die hinter der Kollimationseinheit (die z. B. eine achromatische Linse aufweist) vorgesehen werden und für die RGB-unabhängige Ausrichtung verwendet werden. Somit kann z. B. die gesamte Beugungseffizienz der Hintergrundbeleuchtungseinheit der Beleuchtungsvorrichtung optimiert werden. Bekannte Farbkombination-Prismensysteme, wie z. B. Drei-CMOS-Chip-Camcorder (CMOS - complementary metal-oxide-semiconductor), oder ein Satz dichroitischer Filter können vor der Kollimationseinheit verwendet werden. Die Kollimationseinheit kann z. B. eine achromatische Linse aufweisen, die mit einer Strahlformungseinheit kombiniert ist, die durch das Vorsehen einer sogenannten Flat-Top-Intensitätsverteilung die gesamte Lichtausbeute erhöht. Diese Elemente sehen innerhalb des Bereichs der angemessenen konstanten Intensität, die z. B. die achromatische Kollimationslinse der Kollimationseinheit beleuchtet, keinen konstanten Phasenwert vor. Somit wird in der Austrittsebene der achromatischen oder sogar der apochromatischen Linse der Kollimationseinheit eine nicht ideale Phasenverteilung vorhanden sein. Es können mehrere Optionen vorgesehen sein, um die unerwünschten Phasenverteilungen zu kompensieren, die die Bildqualität der holographischen dreidimensionalen Objekte verringern würden.
Eine Option würde sein, die Kollimationslinse der Kollimationseinheit in die Optimierung der Bewertungsfunktion einzubeziehen, das bekannt und in mehreren Standard-Software-Produkten zur optischen Simulation bereits implementiert ist. Somit kann die Phasenverteilung, die die volumengitterbasierte Hintergrundbeleuchtungseinheit beleuchtet, weiter verbessert werden. Weiterhin macht es die Kombination aus drei Wellenlängen, wie z. B. λ_B = 457 nm, λ_G = 532 nm und λ_R = 647 nm, vor einem dynamischen Streuelement als eine Strahlformungseinheit möglich, drei farbspezifische Strahlformungselemente zu verwenden, wobei jedes nur auf eine einzige zugewiesene Farbe reagiert. Somit kann die Intensitätsverteilung des in der Ebene des dynamischen Streuelements, die die Ebene der zu kollimierenden Lichtquelle ist, vorhandenen Lichtflecks für jede Farbe unabhängig optimiert werden. Somit kann ein optimierter Farbausgleich, d. h., z. B. homogenes Weiß, innerhalb der gesamten SLM-Ebene erhalten werden.
2 zeigt z. B. eine Ausführungsform, die einen einzigen Strahlformungsdiffusor (BS-Diffusor), z. B. des Oberflächenrelieftyps, verwendet. Der Strahlformungsdiffusor kann eine Flat-Top-Intensitätsverteilung vorsehen, die z. B. innerhalb der Eintrittsebene z. B. einer achromatischen Kollimationslinse rechteckig geformt ist.
Eine zweite Option würde sein, die durch die Volumengitter-Hintergrundbeleuchtungseinheit emittierte Phasenverteilung zu messen, die die Phasenverteilung ist, die schließlich den SLM beleuchtet. Eine Nachschlagtabelle (LUT) kann verwendet werden, um die Kompensationswerte zu speichern. Diese Kompensationswerte können als Korrekturwerte zur Berechnung des durch den SLM erzeugten komplexwertigen Wellenfeldes verwendet werden. Die Phase und die Intensitätsverteilungen, die den SLM beleuchten, können gemessen werden. Die Ergebnisse können als Korrekturdaten verwendet werden, um die vorgesehenen Phasenwerte und Amplitudenwerte in der Ebene des Betrachterfensters einer Anzeigevorrichtung vorzusehen.
Die Messung des durch die Hintergrundbeleuchtungseinheit der Beleuchtungsvorrichtung emittierten Wellenfeldes enthält auch den lokalen Austrittswinkel der drei Lichtfarben RGB. Der lokale Austrittswinkel ist zu der lokalen Wellenfront, d. h., der lokalen Phasenverteilung, senkrecht. Mit anderen Worten, die Messung der Phasenverteilung der drei Lichtfarben RGB führt zu der Verteilung der lokalen Austrittswinkel der drei Farben.
Die geringfügig verschiedenen Beleuchtungswinkel des SLM können durch eine Nachführungseinheit der Anzeigevorrichtung kompensiert werden. Eine derartige Nachführungseinheit nimmt die Kompensationswerte aus einer Nachschlagtabelle. Eine derartige Nachschlagtabelle könnte auch Werte enthalten, um die innerhalb der Anzeigevorrichtung vorhandenen Aberrationen zu korrigieren. Dies beinhaltet auch eine Kompensation, die erforderlich sein könnte, um den Unterschied zwischen der Aufzeichnungssituation und der Verwendung innerhalb der Anzeigevorrichtung z. B. der gemultiplexten Feldlinsen zu eliminieren. Aufzeichnen bedeutet, den holographischen Aufzeichnungsfilm mit einem Interferenzmuster zu belichten, das durch überlagerte Wellen gebildet wird. Ein Ergebnis der Belichtung ist die Modifikation des Aufzeichnungsmaterials. Lokale Änderungen des Brechungsindex n werden erzeugt. Das Material kann die Dicke und somit die Geometrie der Rekonstruktion ändern. Wie signifikant der Effekt ist, hängt von dem verwendeten diskreten Material ab. Die Schrumpfung des z. B. für die Volumengitter in der Anzeigevorrichtung verwendeten Polymers oder eines zusätzlichen Deckglases mit einer Dicke von z. B. 1 mm zum Tragen wenigstens eines Volumengitters kann das Strehl-Verhältnis einer durch die verschiedenen Volumengitter-Feldlinsen realisierten Punktspreizfunktion (PSF) verringern. Mit anderen Worten, eine hinter dem SLM angeordnete Feldlinse könnte keinen idealen Brennpunkt erzeugen, welches das Ergebnis der Schrumpfung eines holographischen Aufzeichnungsfilms sein könnte. Somit wird bevorzugt, ein Material mit geringerer Schrumpfung zu verwenden. Auf Bragg-Beugung basierende Volumengitter können z. B. innerhalb der Kollimationseinheit, der Hintergrundbeleuchtungseinheit und der Feldlinse einer holographischen dreidimensionalen Anzeigevorrichtung verwendet werden. Obwohl die Vorkompensation computererzeugter Hologramme (CGH) verwendet werden kann, um diese Aberrationen bereits während der Belichtung zu kompensieren, können der komplexwertige SLM und die Nachführungseinheit verwendet werden, um die endgültig erhaltene Punktspreizfunktion zu optimieren. Einzeln gemessene Anzeigevorrichtungen könnten einzelne Korrekturwerte innerhalb der Nachschlagtabelle verwenden. Die Aberrationen können auch während der Berechnung der Hologrammdaten berücksichtigt werden.
Die vorhergehende Offenbarung in wenigen Worten, es kann eine vergrößerte Größe der in der Beleuchtungsvorrichtung vor einer Kollimationseinheit vorgesehenen Lichtquelle verwendet werden. Wenn der SLM mit dem durch eine Kollimationslinse oder einem kollimierenden off-axis Parabolspiegel einer Kollimationseinheit kollimierten Licht beleuchtet wird, sollte die Lichtquelle eine Fläche aufweisen, die zu ≤ 1/60 Grad äquivalent ist. Ein kollimierender off-axis Parabolspiegel kann verwendet werden, um das durch die Kollimationseinheit eingenommene Volumen zu verringern.
Wenn in der Beleuchtungsvorrichtung weitere Elemente verwendet werden, die das Planwellenspektrum ändern, muss dies berücksichtigt werden. Wenn in der Beleuchtungsvorrichtung eine Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet wird, die eine 10-fache anamorphe Strahlausdehnung entlang zwei Richtungen implementiert, kann ein Planwellenspektrum von bis zu 1/6 Grad verwendet werden, um diese Hintergrundbeleuchtungseinheit zu beleuchten.
Ein praktischer Durchmesser der zugeschnittenen ausgedehnten Lichtquelle könnte sein: ∅_⊗ = 2 × f_Kollimation × tan(1/12 Grad). Wenn z. B. eine Kollimationslinse verwendet wird, die eine Brennweite von f_Kollimation = 400 mm aufweist, ist ein praktischer Durchmesser ∅_⊗ = 1,16 mm.
2 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung, in der drei Lichtstrahlen, die durch drei Lichtquellen L_i (i = 1,2 und 3), z.B. drei Laserlichtquellen, emittiert werden, kombiniert werden, um eine kohärente weiße Lichtquelle zu erzeugen. R gibt eine rote Lichtquelle an, G gibt eine grüne Lichtquelle an und B gibt eine blaue Lichtquelle an. Das Bezugszeichen M bezeichnet ein Spiegelelement. Nach dem Reflektieren des blauen Lichtstrahls durch das Spiegelelement M ist ein dielektrisches Spiegelelement dc-M-tBrG vorgesehen, um den blauen Lichtstrahl B und den grünen Lichtstrahl G zu kombinieren. Nach dieser Kombination der Lichtstrahlen B und G ist ein dielektrisches Spiegelelement dc-M-tRrBrG vorgesehen, um den roten Lichtstrahl R mit dem blauen Lichtstrahl B und dem grünen Lichtstrahl G zu kombinieren. Ein Teleskopsystem, das eine konvexe Linse LT1 und eine konkave Linse LT2 aufweist, ist vorgesehen, um die Größe des roten Lichtstrahls zu ändern. In diesem Beispiel kann die Vergrößerung des roten Lichtstrahls z. B. M-R = 1/2,5 sein. Dies bedeutet, dass der rote Lichtstrahl in seiner Größe um einen Faktor von 2,5 verringert werden muss. Auf diese Weise weisen alle Lichtstrahlen die gleiche Größe in einer Austrittsebene einer Lichtstrahlkombinationseinheit LBCU auf. Dieses Beispiel zeigt, dass die Unterschiede des anfänglichen Strahldurchmessers kein Problem sind und dass eine Änderung leicht implementiert werden kann. Die Größe welches Lichtstrahls aufgeweitet oder verringert werden muss oder welcher diskrete Faktor verwendet werden muss, hängt von den verwendeten diskreten Lichtquellen ab. Es könnte z. B. auch der Fall sein, dass der Durchmesser des roten Strahls vergrößert werden muss. Jedoch ist bevorzugt, ähnliche Lichtstrahldurchmesser zu verwenden. Die diskreten Werte hängen von der diskreten Ausführungsform ab, die verwendet wird, um die zugeschnittene ausgedehnte Lichtquelle zu erzeugen. Somit könnte es auch möglich sein, dass der Durchmesser des roten Lichtstrahls 1,25-mal größer als der Durchmesser des grünen Lichtstrahls ist, der z. B. 1,25-mal größer als der Durchmesser des blauen Lichtstrahls ist. Das Ziel ist jedoch die zugeschnittene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in der SLM-Ebene vorgesehen werden soll.
Die Lichtstrahlkombinationseinheit LBCU weist das Teleskopsystem, mit der konvexen Linse LT1 und der konkaven Linse LT2, das Spiegelelement M, das dielektrische Spiegelelement dc-M-tBrG und das dielektrische Spiegelelement dc-M-tRrBrG auf.
Zusätzlich wird ein kombinierter RGB-Lichtstrahl LB-RGB entlang einer Richtung ausgedehnt, um eine eindimensionale vorgeformte Lichtintensitätsverteilung LB-Linie vorzusehen. Zum Ausdehnen des kombinierten RGB-Lichtstrahls LB-RGB ist im Lichtweg ein Volumengitter VG, z. B. auf Bragg-Beugung basierendes Volumengitter, vorgesehen. Das Volumengitter VG ist RGB-gemultiplext. Weiterhin ist das Volumengitter VG oben auf einem transparenten Substrat S aufgebracht. Der Beugungswinkel des RGB-gemultiplexten Volumengitters VG könnte z. B. 87 Grad betragen, was zu einem Faktor von 20 für die eindimensionale anamorphotische Strahlausdehnung führt. Die eindimensionale ausgedehnte Intensitätsverteilung LB-Linie wird dann verwendet, um eine Strahlformungseinheit zu beleuchten. Die Form des ausgedehnten Strahls, der vorher eine kreisförmige Form aufwies, ist durch eine dünne gepunktete Linie veranschaulicht, die mit dem Bezugszeichen LB-Linie markiert ist. Die Strahlformungseinheit weist einen Strahlformungsdiffusor BS und einen Motor r-M auf. Der Strahlformungsdiffusor kann z. B. als eine Strahlstreuplatte oder eine Strahlstreufolie oder als ein dynamischer Strahlformungsdiffusor ausgebildet sein. Der Strahlformungsdiffusor BS, der hier in der Ebene der primären ausgedehnten Lichtquelle LB-Linie angeordnet ist, die ein Seitenverhältnis von z. B. 1:33 aufweist, ist vorgesehen, um eine Flat-Top-Intensitätsverteilung in der Ebene einer (hier nicht gezeigten) Kollimationseinheit zu erzeugen. Die Kollimationseinheit ist in ihrer Brennweite f hinter dem Strahlformungsdiffusor BS angeordnet. Das Licht einer Austrittsebene der Kollimationseinheit breitet sich z. B. zu einer Hintergrundbeleuchtungseinheit aus, die wenigstens ein Volumengitter aufweist, das das Wellenfeld oder das Licht auf eine Größe des zu beleuchtenden SLM ausdehnt. Mit anderen Worten, der Strahlformungsdiffusor BS, der in 2 gezeigt ist, stellt schließlich eine homogene Beleuchtung des SLM, d. h., eine Beleuchtung mit einer Flat-Top-Intensitätsverteilung, sicher.
Hier muss zwischen der Flat-Top-Intensitätsverteilung, die in der Austrittsebene der Kollimationseinheit vorliegt (und weiter entlang dem Lichtweg der Flat-Top-Intensitätsverteilung, die in der Eintrittsebene des SLM vorliegt), und der Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in der Eintrittsebene des SLM vorliegt, unterschieden werden.
des Betrags des komplexen Kohärenzgrades in ihrem Fernfeld, d. h., z. B. mehrere cm entfernt innerhalb einer Kollimationseinheit, die in dem folgenden Lichtweg verwendet wird.
Durch das Oberflächenreliefprofil des Strahlformungsdiffusors BS wird ein randomisiertes Streuphasenprofil vorgesehen. Diese Phasenverteilung wird dynamisch geändert, weil der Strahlformungsdiffusor BS z. B. als ein rotierender Strahlformungsdiffusor ausgebildet ist.
Somit sieht der rotierende Strahlformungsdiffusor BS eine definierte Intensitätsverteilung in seinem Fernfeld vor, die verwendet werden kann, um eine homogene Beleuchtung der SLM-Ebene zu erhalten. Weiterhin ist der rotierende Motor r-M vorgesehen, um durch Rotieren des Strahlformungsdiffusors BS eine dynamische Phasenrandomisierung zu erzeugen. Die Bewegung des Strahlformungsdiffusors BS sollte angemessen schnell sein. Mit anderen Worten, es sollten mehrere verschiedene randomisierte Phasenmuster, vorzugsweise mehr als 100, in der Ebene der zugeschnittenen ausgedehnten komplexwertigen Lichtquelle innerhalb des Zeitfensters eines einzigen Bildes des SLM, das z. B. 4 ms beträgt, erzeugt werden.
Für eine 1D-Kodierung ist eine linienartige ausgedehnte Lichtquelle erforderlich. Dies muss auch realisiert werden, um eine räumliche Kohärenz mit einer großen Ausdehnung entlang der Richtung des Subhologramms und einer kleinen Ausdehnung entlang der Richtung des Sweet-Spots zu erzeugen. Der Sweet-Spot wird aufgespannt, um ein Winkelspektrum gegenseitig inkohärenter ebener Wellen von z. B. ≤ ±0,5 Grad zu verwenden. Der Sweet-Spot wird unter Verwendung eines Winkelspektrums gegenseitig inkohärenter ebener Wellen und nicht durch die Beugung einer einzigen ebenen Welle erzeugt.
Die eindimensionale Ausdehnung kann unter Verwendung einer volumengitterbasierten 10X-Strahlausdehnung implementiert sein.
Eine Volumengittergeometrie von z. B. 84,26 Grad, die z. B. in PMMA (Polymethylmethacrylat) realisiert wird, vermeidet die Anforderung einer komplexen und teuren Antireflexionsbeschichtung. Alternative Ausführungsformen, die eine erforderliche Ausdehnung des Lichts vorsehen können, sind z. B. anamorphotische Prismen in Reihe, d. h., die Verwendung von z. B. drei bis vier Prismen in Reihe, oder ein Gauß-zu-Linie-Strahldiffusor. Es kann auch eine Powell-Linse verwendet werden, um eine Linie aus einem Gauß-Laserstrahl zu erzeugen.
Der Betrieb des Linienstrahldiffusors ist praktisch. Der direkt kombinierte Strahl kann die Powell-Linse oder den eindimensionalen Strahldiffusor, gefolgt von einem optischen System, z. B. einer Linse, das dieses Licht kollimiert, beleuchten. Dieser Powell-Linse oder einem eindimensionalen Liniendiffusor folgt dann der Strahlformungsdiffusor BS, der eine homogene Beleuchtung der Eintrittsapertur einer Kollimationseinheit realisiert. An dem zweiten Diffusor, falls ein zweiter Diffusor auch verwendet wird, gibt es eine linienartige Intensitätsverteilung, die eine Höhe von nur 1,2 mm aufweist. Dies ist ein einfaches System, das nur kleine Energieverluste verursacht.
Ausführlich kann der einzelne Strahlformungsdiffusor eine Flat-Top-Intensitätsverteilung, die schließlich in der Eintrittsebene des SLM vorliegt, und - gleichzeitig - eine randomisierte, dynamische Phasenverteilung, die in der Ebene der geforderten zugeschnittenen komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle erforderlich ist, um die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene des SLM vorzusehen, erzeugen. Diese plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | sollte die Form des größten verwendeten Subhologramms aufweisen. Die Strahlformung und die dynamische Phasenrandomisierung können auch getrennt sein. Dies ist jedoch nicht absolut notwendig und könnte keine kompakte Ausführungsform erreichen. Eine kompakte Weise ist, den Strahlformungsdiffusor, der auch als ein dynamischer Phasenrandomisierer wirkt, mit einer eindimensionalen linienartigen Intensitätsverteilung zu beleuchten, die durch ein Volumengitter, wie z. B. ein auf Bragg-Beugung basierendes Volumengitter vorgesehen ist, das die erforderliche Strahlausdehnung einführt. Ein Beispiel ist in 2 gezeigt.
Alternativ können auf Streuung basierende Ansätze verwendet werden, wie kurz offenbart wird. In diesem Fall sind alle primären Lichtquellen R, G, B ausgebildet, so dass sie den gleichen Strahldurchmesser, wie z.B. 1,2mm, aufweisen. Ein achromatischer linienerzeugender Strahldiffusor wird mit den kombinierten Lichtstrahlen, mit z. B. etwa dem gleichen Durchmesser beleuchtet. Dieser linienerzeugende Strahldiffusor verbreitert den Lichtstrahl z. B. nur in einer Richtung. In diesem Beispiel, das für eine beispielhafte Brennweite einer Kollimationseinheit, die den SLM beleuchtet, von f_CL = 1 m und eine Brennweite einer kombinierten Feldlinse, die hinter dem SLM vorgesehen ist, von f_cFL = 1 m ausgeführt ist, weist der Lichtstrahl eine Größe von 1,2 mm × 20 mm auf, nachdem er durch eine Kollimationslinse kollimiert worden ist, die in ihrer Brennweite zum Linienstrahldiffusor angeordnet ist.
Eine weitere Option, um eine linienartige Intensitätsverteilung mit einer geringen Divergenz zu erzeugen, kann sein, einen Gauß-zu-Linie-Strahlformungsdiffusor z. B. mit einem kreisförmigen Lichtstrahl zu beleuchten. Es wird eine Linie mit einem Divergenzwinkel von z. B. ±30 Grad erzeugt. Dann ist eine Kollimationseinheit hinter diesem Gauß-zu-Linie-Strahlformungsdiffusor angeordnet. Hinter dieser Kollimationseinheit gibt es eine kollimierte linienartige Intensitätsverteilung. Diese linienartige Intensitätsverteilung wirkt als eine ausgedehnte Lichtquelle. Auch kann sie verwendet werden, um einen weiteren Strahlformungsdiffusor BS zu beleuchten, der die Flat-Top-Intensitätsverteilung vorsieht, die schließlich den SLM beleuchtet. Diese Verteilung ist z. B. rechteckig und kann ein Seitenverhältnis von 2:1 aufweisen.
Ein Strahlformungsdiffusor rotiert z. B. mit 10000 min^-1 bis 30000 min^-1, um eine angemessene Phasenrandomisierung vorzusehen, die z. B. für 2-ms- bis 4-ms-Laser-AN-Impulse der Primärfarben der blinkenden Beleuchtung erforderlich ist. Es kann eine 5-Grad-Winkelverbreiterung verwendet werden. Das Licht, das sich hinter dem Strahlformungsdiffusor BS ausbreitet, wird weiter modifiziert. Ausführlicher wird die Ebene des rotierenden Strahlformungsdiffusors BS unter Verwendung einer Vergrößerung von z. B. 0,25 auf eine Bildebene abgebildet. Somit wird in diesem Beispiel die Strahlform von 1,2 mm × 200 mm auf 0,3 mm × 5 mm verringert, während die Divergenz von 5 Grad zu 20 Grad geändert wird, was ausreichend sein sollte, um eine 14"-Anzeigevorrichtung zu beleuchten, wenn eine volumengitterbasierte Kollimationslinse mit einer Brennweite von 1 m verwendet wird.
Die auf diese Weise erzeugte kleine eindimensionale Lichtquellenlinie ist in der Brennebene der Kollimationslinse vorgesehen. Somit ist die Kohärenz aufbereitet, so dass sie ausreichend und entlang nur der vertikalen Richtung vorhanden ist. Zusätzlich sind nur minimale optische Verluste vorhanden.
2 zeigt z. B., wie ein Strahlformungsdiffusor BS, der eine definierte Flat-Top-Intensitätsverteilung in einer definierten Ebene seines Fernfeldes erzeugt, mit einer linienartigen Intensitätsverteilung oder im Allgemeinen mit einer Intensitätsverteilung, mit einem hohen Seitenverhältnis von z. B. 1:33, beleuchtet werden kann.
Die 3 und 4 zeigen auch, wie z. B. ein kreisförmiger oder elliptischer anfänglicher Lichtstrahl in eine linienartige Intensitätsverteilung transformiert werden kann, die einen Strahlformungsdiffusor BS beleuchtet, der eine definierte Flat-Top-Intensitätsverteilung in einer definierten Ebene seines Fernfeldes erzeugt. 3 zeigt auch, wie die Größe der in der Austrittsebene des Strahlformungsdiffusors BS vorhandenen linienartigen Intensitätsverteilung unter Verwendung einer teleskopartigen Anordnung mit zwei achromatischen Linsen LT1 und LT2 geändert wird.
Es kann sich die Frage ergeben, warum die dazwischenliegende große linienartige Intensitätsverteilung überhaupt erforderlich ist. Dies könnte mehrere Gründe haben. Ein Grund könnte sein, dass der Strahlformungsdiffusor BS, der eine definierte Flat-Top-Intensitätsverteilung in einer definierten Ebene seines Fernfeldes erzeugt, mit einer minimalen Strahlgröße beleuchtet werden muss, die z. B. wenigstens entlang einer Richtung vorhanden sein muss. Dies ist der Fall, wenn z. B. randomisierte Mikrolinsenstrukturen für eine mehrfarbige Beleuchtung verwendet werden. Die Mikrolinsenstrukturen, die als refraktive und diffraktive Strukturen wirken können, können z. B. unter Verwendung eines Voronoi-Diagramms angeordnet sein.
Ein weiterer Grund könnte sein, dass eine zugeschnittene komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle eine definierte Größe und ein definiertes Planwellenspektrum, das sich hinter ihr ausbreitet, oder im Allgemeinen eine definierte Divergenz aufweisen muss. Dies ist der Grund für die Verwendung z. B. einer zusätzlichen Teleskopanordnung.
Weiterhin zeigt 3 eine zusätzliche Feldlinse FL, die in der Ebene der vorgesehenen ausgedehnten Lichtquelle DLS angeordnet ist. Im Allgemeinen vergrößern die Feldlinsen die optische Leistung, die durch das optische System übertragen wird. Mit anderen Worten, die Feldlinsen können verwendet werden, um den Verlust optischer Leistung zu verringern, der entlang dem Lichtweg vorhanden sein könnte. Wie in 4 gesehen werden kann, kann eine Feldlinse FL auch nah bei der Austrittsebene eines Strahlformungsdiffusors BS verwendet werden, der eine definierte Flat-Top-Intensitätsverteilung in einer definierten Ebene seines Fernfeldes erzeugt. Weiterhin kann eine Feldlinse verwendet werden, um die Ebene der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu definieren, d. h, um die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in die gewünschte Ebene zu verschieben.
Hinter der vorgesehenen, zugeschnittenen komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle, die z. B. auf der rechten Seite der 3 und 4 gezeigt ist, muss eine Kollimationseinheit angeordnet sein. Die Kollimationseinheit weist wenigstens eine Kollimationslinse auf. Hinter der Kollimationseinheit ist ein verschmälertes Spektrum ebener Wellen vorhanden. Dies wird unter Verwendung einer Hintergrundbeleuchtungseinheit weiter verringert, die z. B. auf einer anamorphen Strahlausdehnung basiert.
Kompakte Lasermodule könnten einen kleineren Strahldurchmesser aufweisen, der sich z. B. nur im 500-µm-Bereich befindet. Technische Diffusoren wie der Strahlformungsdiffusor müssen für diesen verringerten Strahldurchmesser zugeschnitten sein, um die beste Leistung vorzusehen. Dies bedeutet, dass z. B. 95 % des Lichts in den Bereich der Flat-Top-Verteilung des SLM übertragen werden und nur 5 % oder weniger außerhalb dieses Bereichs oder Gebiets gefunden werden können.
Wenn die anfänglichen Strahldurchmesser der Lichtstrahlen klein genug sind, ist eine weitere Verringerung, die z. B. unter Verwendung eines Teleskopsystems erhalten werden könnte, wie in 2 (roter Strahl) gezeigt ist, nicht mehr erforderlich. Somit könnte es eine kompakte Weise sein, nur ein kompaktes Lasermodul, ein Volumengitter und einen bewegten technischen Diffusor als den Strahlformungsdiffusor aufzuweisen.
Weiterhin kann vor dem Strahlformungsdiffusor eine Linse angeordnet sein. Die Linse fokussiert den aus dem Volumengitter austretenden Lichtstrahl auf den technischen Strahlformungsdiffusor, der zugeschnitten sein muss, um diese Nicht-Standard-Gauß-Verteilung zu berücksichtigen. Das Anordnen der Strahltaille auf dem technischen Strahlformungsdiffusor BS bedeutet, eine ebene Phase (eine ebene Welle) in dieser Ebene zu haben. Der Divergenzwinkel hinter dem Strahlformungsdiffusor BS ist durch zwei Parameter definiert, die numerische Apertur (NA), die verwendet wird, um den Strahlformungsdiffusor BS zu beleuchten, und die durch den Strahlformungsdiffusor BS zusätzlich eingeführte Divergenz.
Wie bereits offenbart worden ist, zeigt 2 eine beispielhafte Ausführungsform einer eine zugeschnittene eindimensionale Lichtquellenlinie erzeugenden Beleuchtungsvorrichtung, die verwendet wird, um einen 1D-kodierten SLM nur mit eindimensionalen räumlich kohärenten Licht zu beleuchten. Wie gezeigt ist, wird hinter dem eindimensionalen ausgedehnten Gauß-zu-Flat-Top-Strahlformungsdiffusor BS keine zusätzliche Lichtquellengrößen-Änderungsoptik verwendet. Ein derartiger Aufbau der Beleuchtungsvorrichtung kann vorgesehen sein, wenn die Größen der Lichtstrahlen ausreichend sind. Der technische Strahlformungsdiffusor BS weist im Vergleich zu dem vorher erklärten Beispiel eine breitere Winkelverbreiterung auf.
In einer weiteren Ausführungsform einer zugeschnittenen eindimensionalen Lichtquellenlinien-Beleuchtungsvorrichtung ist das eindimensional ausgedehnte kombinierte RGB-Licht auf einen Strahlformungsdiffusor, der eine Flat-Top-Intensitätsverteilung erzeugt, fokussiert, der für das spezifische Wellenfeld, das ihn beleuchtet, zugeschnitten ist. Dies bedeutet, dass eine Linse, z. B. eine Linse L, die vor dem Strahlformungsdiffusor angeordnet ist, nicht notwendigerweise eine klassische achromatische Linse ist. Sie ist stattdessen eine achromatische bifokale Linse. Somit muss der technische Strahlformungsdiffusor, der die Strahlformung vorsieht, zugeschnitten sein, um mit der diskreten Beleuchtung zu arbeiten und um die definierte homogene Intensitätsverteilung in der Eintrittsebene einer folgenden Kollimationseinheit zu erzeugen. Im Allgemeinen kann eine asphärische Linse implementiert werden, die an die Anforderungen angepasst sein kann. Das Zuschneiden des Strahlformungsdiffusors kann auch durch das Vorsehen einer reflektierenden Freiformoberfläche durchgeführt werden, die für die spezifische Ausführungsform zugeschnitten ist.
Weiterhin kann ein technischer Strahlformungsdiffusor eine unsymmetrische Strahlformungsfunktionalität einführen. Die Form der Flat-Top-Intensitätsverteilung, die in dem Fernfeld des Strahlformungsdiffusors erzeugt wird, könnte rechteckig sein, d. h., so dass sie in Abhängigkeit von der verwendeten Anzeigevorrichtung ein Seitenverhältnis von 2:1 oder 16:9 aufweist. Somit sieht eine nicht kreisförmige Intensitätsverteilung eine orientierungsabhängige Strukturierung des Strahlformungsdiffusors vor.
In 3 ist eine Beleuchtungsvorrichtung dargestellt, die eine vorgesehene komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle DLS erzeugt, die durch Neuformung des Eintrittslichtstrahls LB-RGB zu kollimieren ist. Dies bezieht sich auf nur vertikale Parallaxe-Kodierung, d.h. die Verwendung von eindimensionalen Subhologrammen. Nach der Kombination der einzelnen Lichtstrahlen R, G und B ist ein Liniendiffusor LD vorgesehen. Der Liniendiffusor LD dehnt den Eintrittslichtstrahl entlang einer Richtung. Es ist möglich, eine rotierende Streuplatte für diese Prozedur zu verwenden. Ein Kollimationssystem CL ist vorgesehen, um das einfallende Licht zu kollimieren und somit eine linienartige Intensitätsverteilung LB-Linie des anfänglichen Lichtstrahls zu bilden. Es ist ein Seitenverhältnis des Liniensegments von 1:33 gezeigt. Das Kollimationssystem CL folgt der Strahlformungseinheit im Lichtweg, die hier als ein definierter Strahlformungsdiffusor BS definiert ist. Die Kollimationseinheit ist in 3 nicht gezeigt. Der Strahlformungsdiffusor BS ist hier ferner als eine rotierende Streuplatte ausgebildet und ist vorgesehen, einen dynamischen Phasenterm zu erzeugen. Ein rotierender Motor r-M, der ein Teil der Strahlformungseinheit ist, wird verwendet, um durch das Rotieren des Strahlformungsdiffusors BS die dynamische Phasenrandomisierung vorzusehen. Es ist auch möglich, hier eine sich schnell bewegende Streufolie oder einen dynamischen Strahlformungsdiffusor anstelle einer rotierenden Steuerplatte zu verwenden. Es wird ein Teleskopsystem, das eine erste Linse LT1 und eine zweite Linse LT2 aufweist, verwendet, um die vorgesehene Lichtquellen-Intensitätsverteilung DLS zu erzeugen. Diese vorgesehene Lichtquellen-Intensitätsverteilung DLS bildet Somit eine ausgedehnte Lichtquelle, wobei in den folgenden Abschnitten das Bezugszeichen DLS auch zum Bezeichnen des Begriffs „ausgedehnte Lichtquelle“ verwendet wird. Weiterhin ist eine Apertur AS vorgesehen. Die Apertur AS ist, gesehen in Lichtausbreitungsrichtung, hinter dem Teleskopsystem in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS angeordnet. In dieser Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS ist es vorgesehen, das störende Licht durch die Apertur AS zu blockieren. Eine weitere optimierte Amplitudenverteilung, wie sie z. B. in 8 gezeigt ist, und eine entsprechende Phasenverteilung, wie sie z. B. in 10 gezeigt ist, können in dieser Ebene verwendet werden.
Eine Feldlinse FL ist in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS angeordnet. Diese Feldlinse FL ist für ein Verschieben der vorgesehenen räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene des räumlichen Lichtmodulators (SLM), der innerhalb einer holographischen Anzeigevorrichtung zu beleuchten ist, vorgesehen. In einer alternativen Weise können die Elemente dieser Ebene der ausgedehnten Lichtquelle, d. h., die Aperturblende AS und die Feldlinse FL, in dieser Ebene kombiniert sein, wie in 2 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Aperturblende AS bei der in der Ebene der vorgesehenen ausgedehnten Lichtquelle DLS verwendeten Feldlinse FL angeordnet ist.
Außerdem ist in 3 ein Strahlformungsvorgang einer anfänglichen Intensitätsverteilung im Allgemeinen gezeigt. Dieser Strahlformungsvorgang sieht eine praktische Intensitätsverteilung, die verwendet wird, um die Ebene einer ausgedehnten Lichtquelle zu beleuchten, und eine numerische Apertur vor, die für die optischen Elemente optimiert ist, die der Beleuchtungsvorrichtung im Lichtweg der Anzeigevorrichtung folgen. Somit ist die Übertragung der optischen Leistung optimiert. Dies bedeutet, dass der Verlust optischer Energie minimiert ist. Zum Verringern des Verlusts optischer Energie ist es nicht ausreichend, nur das Licht neu zu formen und die Größe eines anfänglichen Lichtstrahls zu ändern. Die Divergenz des Lichtstrahls muss auch in einer Weise geändert werden, dass der Verlust optischer Energie, der weiter entlang dem Lichtweg vorhanden sein könnte, minimiert ist.
Eine Option, die im Fall einer unnötigen Strahlgrößenverringerung verwendet werden kann, ist, einen Linienstrahldiffusor und einen technischen Strahlformungsdiffusor in Reihe vorzusehen. Es ist nicht notwendig, zusätzliche fokussierende Elemente oder andere optische Elemente zu verwenden. Dies könnte z. B. der Fall sein, wenn eine volumengitterbasierte keilförmige Hintergrundbeleuchtungseinheit in der Beleuchtungsvorrichtung verwendet wird, die eine 10x- oder 20x-Strahlausdehnung in zwei Richtungen vorsieht. Dies bedeutet, dass angemessen große Strahldurchmesser der primären Lichtquellen vorgesehen werden können, die verwendet werden, um die eindimensionale (1D) ausgedehnte Lichtquelle zu bilden, die vor dieser Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet wird. Im Detail wird ein weißer RGB-Strahl unter Verwendung des Linienstrahldiffusors zu einer Linie geformt. Die erzeugte Linie beleuchtet den Strahlformungsdiffusor, der eine Flat-Top-Intensitätsverteilung erzeugt. Der Strahlformungsdiffusor ist in der vorderen Brennebene einer Kollimationseinheit angeordnet. Die Kollimationseinheit kann z. B. vor einer volumengitterbasierten anamorphen keilförmigen Hintergrundbeleuchtungseinheit der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet sein. Es können quadratisch oder rechteckig geformte Flat-Top-Intensitätsverteilungen, die ein Seitenverhältnis von z. B. 2:1 aufweisen können, durch das Wählen des entsprechenden technischen Strahlformungsdiffusors erhalten werden.
Eine derartige Gestaltung einer Beleuchtungsvorrichtung würde wahrscheinlich weniger kompakt als die sein, die in 3 gezeigt ist. Es könnte jedoch eine alternative Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung sein, die keine Volumengitter zur Strahlausdehnung vorsieht.
Diese Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird im Folgenden beispielhaft ausführlich beschrieben, die eine zugeschnittene Kohärenz für die 1D-kodierte Hologrammkodierung vorsieht.
3 zeigt eine Modifikation der in 2 beschriebenen Ausführungsform, die bereits offenbart worden ist. In 3 ist eine Laserlichtquellen-Strahlformungsanordnung dargestellt, die eine schlitzartige Intensitätsverteilung mit einer Größe von z. B. 150 µm vertikal × 5 mm horizontal innerhalb der Ebene der Feldlinse FL erzeugt (siehe die rechte Seite der Figur). Die Feldlinse FL weist eine Brennweite f_FL auf, die zu der der Kollimationseinheit ähnlich ist, die weiter entlang dem Lichtweg verwendet wird. Die Brennweite f_FL kann für eine kombinierte Volumengitter-Feldlinse, die verwendet wird, um den SLM zu beleuchten, z. B. 1 m sein.
Die in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle angeordnete Feldlinse FL ist ein wichtiges Detail, um die Kohärenz für einen 1D-kodierten SLM zuzuschneiden.
In 4 ist eine weitere alternative Beleuchtungsvorrichtung gezeigt, die die vorgesehene komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle DLS, die zu kollimieren ist, durch die Neuformung des Eintrittslichtstrahls LB-RGB erzeugt. Dies bezieht sich auf eine nur vertikale Parallaxe-Kodierung (VPO), d. h., die Verwendung von eindimensionalen Subhologrammen. Eine strahlformende Powell-Linse PL ist im Lichtweg vor dem Strahlformungsdiffusor BS vorgesehen. Die Powell-Linse dehnt den Eintrittslichtstrahl LB-RGB entlang einer Richtung. Hier genauso, das Kollimationssystem CL ist vorgesehen, um das Licht zu kollimieren. Somit wird eine linienartige Intensitätsverteilung LB-Linie des anfänglichen Lichtstrahls erzeugt. Hier ist ein Seitenverhältnis des Liniensegments von 1:33 gezeigt. Der definierte Strahlformungsdiffusor BS, der als eine rotierende Streuplatte ausgebildet ist, ist wieder vorgesehen, um den erforderlichen dynamischen randomisierten Phasenterm zu erzeugen. Der rotierende Motor r-M sieht die dynamische Phasenrandomisierung durch das Rotieren des Strahlformungsdiffusor BS vor. Hier ist es auch eine Option, anstelle der rotierenden Steuerplatte, eine schnell bewegte Folie zu verwenden.
Ein Unterschied zu 3 ist, dass in dieser Ausführungsform die Feldlinse FL vor dem Teleskopsystem, das die Linsen LT1 und LT2 aufweist, und hinter dem Strahlformungsdiffusor BS vorgesehen ist. Diese Feldlinse FL wird durch die Linsen LT1 und LT2 des Teleskopsystems in die Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS abgebildet. Das Bild der Feldlinse FL ist FL'. Im Prinzip ist dies zu der in 3 gezeigten Feldlinse FL äquivalent.
Weiterhin ist die Aperturblende AS in 4 gezeigt. Diese Aperturblende AS kann vorgesehen sein, um das störende Licht in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS zu blockieren. Hier ist die Feldlinse FL vorgesehen, um letztlich die vorgesehene räumliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in die Ebene des zu beleuchtenden SLM innerhalb der holographischen Anzeigevorrichtung zu verschieben.
Die Kollimationslinsen CL sind auf der linken Seite der 3 und 4 gezeigt. Die Kollimationseinheit, die verwendet wird, um die (hier durch DLS bezeichnete) ausgedehnte Lichtquelle zu kollimieren, die auf der rechten Seite der 3 und 4 angeordnet sein muss, ist jedoch nicht gezeigt.
Im Allgemeinen ist hier eine Strahlformung einer anfänglichen Lichtintensitätsverteilung veranschaulicht, die eine praktische Intensitätsverteilung vorsieht, die verwendet wird, um die Ebene einer abgebildeten Lichtquelle zu beleuchten. Diese Strahlformung der Lichtintensitätsverteilung sieht auch eine numerische Apertur vor, die für die optischen Elemente optimiert ist, die entlang dem Lichtweg folgen. Somit ist die Übertragung der optischen Leistung optimiert, so dass der Energieverlust minimiert ist. Zum Verringern des Verlustes optischer Energie ist es nicht ausreichend, nur das Licht neu zu formen und die Größe eines anfänglichen Lichtstrahls zu ändern, die Divergenz muss auch in einer Weise geändert werden, dass der Verlust minimiert wird, wie bereits erklärt.
Mit anderen Worten und in gewissem Maß als Beispiel zeigt 4 eine Modifikation der bereits beschriebenen Ausführungsform nach 3. In dieser Figur ist eine Laserlichtquellen-Strahlformungs-Beleuchtungsvorrichtung dargestellt, die einen Lichtschlitz erzeugt, der eine Größe von etwa 150 µm vertikal × 5 mm horizontal innerhalb der Ebene eines Bildes der Feldlinse FL aufweist, die hinter und nah bei dem Strahlformungsdiffusor BS angeordnet ist. Das Bild der Feldlinse FL kann eine Brennweite f_FL aufweisen, die zu der Brennweite der entlang dem Lichtweg verwendeten Kollimationseinheit ähnlich ist. Die Brennweite kann für eine kombinierte Volumengitter-Feldlinse, die verwendet wird, um den RGB-SLM zu beleuchten, z. B. 1 m betragen. Eine kombinierte Volumengitter-Feldlinse kann durch das Erzeugen einer Feldlinse innerhalb des Volumengitters oder durch das Volumengitter gebildet werden.
Im Vergleich zu den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen wird in dieser Ausführungsform die Powell-Linse verwendet, um eine eindimensionale Lichtstrahlausdehnung zu erzeugen. Der Vorteil einer derartigen Powell-Linse ist, dass eine homogene Flat-Top-Intensitätsverteilung des Lichts mit Intensitätsfluktuationen, d. h., Abweichungen von weniger als 10 %, erreicht werden kann. Dies erfordert keine schnelle Bewegung, die implementiert werden muss, wenn ein Strahlformungsdiffusor verwendet wird. Diese Erzeugung einer linienartigen Flat-Top-Intensitätsverteilung kann auch mit einer weiteren Lichtstrahlausdehnung kombiniert werden, die z. B. unter Verwendung von keilförmigen Volumengitteranordnungen oder anamorphotischen Prismenpaaren in Reihe vorgesehen wird.
Die Feldlinse FL, die auf die Ebene der ausgedehnten Lichtquelle bezogen ist, kann in der Austrittsebene der Beleuchtungsvorrichtung, wie auf der rechten Seite der 3 veranschaulicht ist, oder nah bei der Streuebene des Strahlformungsdiffusors BS angeordnet sein, wobei die Feldlinse FL in die Austrittsebene der Beleuchtungsvorrichtung abgebildet werden muss, wie für die größere schlitzartige Intensitätsverteilung in der Mitte der 4 gezeigt ist.
Eine Schwierigkeit hinsichtlich der optischen Weglänge könnte die Verwendung eines telezentrischen Systems sein, das verwendet wird, um eine Vergrößerung von z. B. M = 0,125 vorzusehen, um die in der Austrittsebene der Beleuchtungsvorrichtung vorhandene Schlitzgröße zu verringern.
Deshalb könnte bevorzugt sein, einen kleinen Lichtstrahldurchmesser in der Ebene des Strahlformungsdiffusors BS, der eine zweidimensionale Flat-Top-Intensitätsverteilung erzeugt, vorzusehen. Eine kleinere Lichtlinie erfordert weniger Verkleinerung. Somit ist nur ein in seiner Größe kleineres optisches Teleskopsystem in der Beleuchtungsvorrichtung erforderlich. Gemäß einer Randbedingung muss der Strahlformungsdiffusor BS geeignet sein, um dies zu unterstützen. Auch muss das verwendete Oberflächenrelief-Strahlformungsmuster für die verwendete Lichtstrahlgröße zugeschnitten sein. Das Oberflächenrelief-Strahlformungsmuster kann z. B. aus randomisierten Mikrolinsenstrukturen erstellt werden. Somit ist es möglich, die Verwendung aller drei auf der rechten Seite der in 4 gezeigten Anordnung gezeigten Linsen zu vermeiden. Mit anderen Worten, es könnte keine Verkleinerung erforderlich sein, wobei die beiden Linsen LT1 und LT2, die das in den 3 und 4 gezeigte Verkleinerungsteleskop bilden, nicht notwendig sein könnten.
Eine kompakte Ausführungsform einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann unter Verwendung eines Lichtstrahldurchmessers, der in der Eintrittsebene der Powell-Linse vorhanden ist, der zu der kleinen Abmessung der vorgesehenen schlitzartigen ausgedehnten Lichtquelle äquivalent ist, die für eindimensional kodierte holographische Anzeigevorrichtungen verwendet wird, realisiert sein. In diesem Beispiel kann ein Lichtstrahldurchmesser von etwa 150 µm verwendet werden. Dies erfordert eine maßgefertigte Powell-Linse. Eine kundenspezifische maßgefertigte Powell-Linse sieht die eindimensionale Linienstrahlformung vor. Die Kollimationseinheit kann verwendet werden, um das einfallende Licht zu kollimieren und die Normalenvektoren der Wellenfronten wieder abzulenken, so dass sie zu der optischen Achse der Beleuchtungsvorrichtung parallel sind. Der Strahlformungsdiffusor wird z. B. mit einem 150 µm × 5 mm-Liniensegment beleuchtet. Somit sind hinter diesem Strahlformungsdiffusor, der eine zweidimensionale Flat-Top-Intensitätsverteilung vorsieht, die erzeugt wird, um zu dem Seitenverhältnis des weiter entlang dem Lichtweg angeordneten SLM zu passen, keine weiteren Linsenelemente für die Lichtstrahlformung erforderlich. Die Kollimationseinheit, die verwendet wird, um das sich hinter die Ebene der ausgedehnten Lichtquelle ausbreitende Licht zu kollimieren und die ein Teil der Beleuchtungsvorrichtung ist, wird dennoch verwendet.
Im Allgemeinen können die RGB-Lichtstrahlen in einer derartigen Weise in der Größe verringert oder angepasst (oder neu geformt) werden, dass der Liniendiffusor mit einer Lichtstrahlgröße beleuchtet wird, die zu der Lichtstrahlgröße äquivalent ist, die in wenigstens einer Richtung weiter entlang dem Lichtweg in der Anzeigevorrichtung erforderlich ist. In dem oben erklärten Beispiel ist dies eine Lichtstrahlgröße von 150 µm. Überdies kann im Allgemeinen der Strahlformungsdiffusor auch nicht kollimiertes Licht akzeptieren, wobei er aber für die spezifischen Parameter, die verwendet werden, um ihn zu beleuchten, ausgebildet sein muss. Mit anderen Worten, weitere Ausgestaltungsoptionen sind vorhanden, die eine sehr kompakte optische Ausführungsform vorsehen können, die unter Verwendung nur eines Minimums optischer Elemente realisiert sein kann.
Das vorher erklärte Beispiel erzeugt eine Lichtquellenlinie, die z. B. mit einer volumengitterartigen zweikomponentigen kombinierten RGB-gemultiplexten Feldlinse kombiniert werden kann, die die Lichtquellenlinie kollimiert. Mit anderen Worten, es können auch auf Bragg-Beugung basierende Volumengitter für die Kollimation und für die Strahlformung, die vor dem SLM erforderlich ist, verwendet werden. Auf diese Weise kann eine zugeschnittene Beleuchtung für 1 D-kodierte Hologramme vorgesehen werden. Diese Tatsache ändert sich jedoch, wenn in der Beleuchtungsvorrichtung eine keilförmige Volumengitter-Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet wird. Dies bedeutet, dass die Form der ausgedehnten Lichtquelle gemäß der Änderung des Planwellenspektrums, die durch die spezifische Ausführungsform der verwendeten Keiltypgeometrie eingeführt wird, geändert werden muss. Das Ziel könnte sein, z. B. einen Sweet-Spot zu erzeugen, der eine horizontal orientierte Größe von 5 mm aufweist, während eine vertikale 1 D-Kodierung innerhalb der holographischen Anzeigevorrichtung verwendet werden könnte. In einer Betrachtungsentfernung eines Betrachters zu der Anzeigevorrichtung von z. B. 1 m entspricht dies einem Winkel des Planwellenspektrums, das den Sweet-Spot erzeugt, mit einem Wert von ±0,1432 Grad. Die Größe des Sweet-Spots könnte größer sein. Dieser Winkelwert kann aber als ein vorhandenes Minimum verwendet werden. Die Augenpupille eines Betrachters ist jedoch wahrscheinlich nicht größer als dieser Wert, wobei die Unbestimmtheit der Augenverfolgungsbestimmung, die 1 mm entlang der x-Richtung und 1 mm entlang der y-Richtung, d. h., in der seitlichen Richtung, sein könnte, ausreichend ist. Ein Wert eines Winkelbereichs von etwa ±0,15 Grad ist ausreichend, um einen für eine 1D-Kodierung eines Hologramms erforderlichen Sweet-Spot zu erzeugen. Eine durch die Hintergrundbeleuchtungseinheit als die Beleuchtungsvorrichtung vorgesehene zweimalige anamorphotische 10×-Lichtstrahlausdehnung wird das Planwellenspektrum etwa um einen Faktor von 10× zusammendrücken. Somit ist in wenigstens einer Richtung, der x-Richtung oder der y-Richtung, ein Wert eines Winkelbereichs von etwa ±1,5 Grad erforderlich, um den Sweet-Spot zu erzeugen, der letztlich für eine 1D-Kodierung vor dem Auge des Betrachters erforderlich ist.
Dies bedeutet, dass eine ausgedehnte Lichtquelle mit der Form eines Liniensegments im Fall einer 1D-Kodierung eine Winkelausdehnung vor der Kollimationseinheit von wenigstens ±1/12 Grad in einer Richtung und ±1,5 Grad in der anderen Richtung aufweisen muss. Zum Realisieren einer vergrößerten Objekttiefe kann das Planwellenspektrum der kohärenten Lichtrichtung, die den SLM beleuchtet, das wenigstens 1/60 Grad betragen muss, weiter z. B. runter auf 1/180 Grad oder runter auf ±1/360 Grad verringert werden. Dies bedeutet, dass vor der Hintergrundbeleuchtungseinheit, die eine 10x anamorphotische Strahlausdehnung vorsieht, ein Planwellenspektrum erforderlich ist, das nur ±1/36 Grad aufspannt.
Somit gibt es eine ausgedehnte Lichtquelle, die zu einem Planwellenspektrum von vorzugsweise ±1,5 Grad in einer Richtung und ±1/36 Grad in der anderen Richtung, das hinter der Kollimationseinheit vorliegt, äquivalent sein muss. Die Kollimationseinheit kann z. B. ein achromatisches Linsensystem oder ein off-axis Parabolspiegelelement aufweisen. Es könnte z. B. eine Brennweite von 500 mm für das optische refraktive und diffraktive System verwendet werden, das die ausgedehnte Lichtquelle kollimiert. Es ist auch möglich, auf Bragg-Beugung basierende Volumengitterelemente zu verwenden, um die Primärfarben RGB separat zu kollimieren.
Wenn die Kollimationseinheit z. B. eine Brennweite von f_c = 500 mm aufweist, würde ein Planwellenspektrum von ±1,5 Grad zu einer seitlichen Ausdehnung des zu kollimierenden Lichtquellen-Liniensegments von etwa 26 mm führen, während ein Planwellenspektrum von ±1/36 Grad zu einer anderen seitlichen Ausdehnung des zu kollimierenden Lichtquellen-Liniensegments von nur etwa 0,5 mm führen würde.
Innerhalb der Hintergrundbeleuchtungseinheit der Beleuchtungsvorrichtung kann das Liniensegment der ausgedehnten Lichtquelle vertikal vorgesehen sein, wobei es somit z. B. eine Breite von 0,5 mm und eine Höhe von 26 mm aufweist. Wenn z. B. eine Kollimationseinheit, z. B. eine aus einem Kreis ausgeschnittene rechteckige Form, verwendet wird, die eine Breite von 50 mm entlang einer Richtung aufweist, muss eine Linienbreite von 26 mm in Anbetracht der Bildfeldkrümmung gehandhabt werden. Somit ist eine Kollimationseinheit bevorzugt, die dies ausführen kann. Somit könnte eine Kollimationseinheit vorgesehen sein, die mehrere Elemente aufweist, um ein flaches Feld, z. B. für eine Breite von 36 mm und eine Höhe von 24 mm, das in einer Diagonalen von 43,3 mm resultiert, vorzusehen. Der Hintergrund für dies ist, dass die Form des SLM rechteckig ist. In der Optik sind oft kreisförmige Strahlformen vorhanden. Somit, eine Standardsituation kann sein, eine Kollimationseinheit zu verwenden, die in ihrer Austrittsebene eine homogene kreisförmige Intensitätsverteilung vorsieht. Die Verwendung eines rechteckig geformten SLM würde bedeuten, einen rechteckig geformten Teil aus der kreisförmigen Intensitätsverteilung auszuschneiden. Dies repräsentiert einen Verlust an optischer Energie, der durch das Implementieren einer zugeschnittenen Strahlformung vermieden werden kann.
Im Ergebnis dieses Beispiels kann die Modifikation der in 4 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung definiert werden. Die Lichtstrahldurchmesser, die durch den Wert I = Imax/e² definiert sind, die z.B. 1,2 mm der primären Lichtstrahlen sind, müssen unter Verwendung eines 2x-Lichtstrahlaufweiters in entgegengesetzter Orientierung auf einen Lichtstrahldurchmesser von z. B. 0,6 mm verringert werden, wobei somit eine Vergrößerung von M = 0,5 vorgesehen ist, was eine Verkleinerung darstellt. Die vorgesehene Powell-Linse PL kann ausgebildet sein, um einen Lichtstrahldurchmesser von 0,6 mm anzunehmen. Das eindimensionale divergente Licht, das eine Flat-Top-Intensitätsverteilung erzeugt, wird kollimiert, und ein Lichtliniensegment mit einer Größe von 0,6 mm × 26 mm wird den zweidimensionalen vorgesehenen flat-top-erzeugenden dynamischen Strahlformungsdiffusor, der vor der Kollimationseinheit mit einer Brennweite von f_c = 500 mm angeordnet ist, beleuchten. Die Aperturblende AS oder der Amplitudenfilter kann verwendet werden, um die Größe des Lichtliniensegments von 0,6 mm auf 0,5 mm oder noch weiter zu verringern. Der flat-top-erzeugende dynamische Strahlformungsdiffusor muss in einer Weise ausgebildet sein, um das erforderliche Strahlprofil anzunehmen, mit anderen Worten, eine passende zweidimensionale Flat-Top-Intensitätsverteilung aus sich heraus zu erzeugen.
Für einen luftseitigen Eintrittswinkel des Lichts auf eine Substratplatte, die ein Volumengitter der Beleuchtungseinheit trägt, von z. B. 84,26 Grad ist der Winkel innerhalb des Substrats, das einen Brechungsindex von 1,5 aufweist, 41,55 Grad. Mit anderen Worten, wenn der Keil bei 84,26 Grad zu 0 Grad in Luft arbeitet, dann ist dies oder eine Rekonstruktionsgeometrie von 41,55 Grad auf 0 Grad innerhalb eines Substratmaterials mit einem Brechungsindex von n = 1,5 äquivalent.
Dieser verringerte Beugungswinkel, der innerhalb des Substrats oder innerhalb des Volumengitters vorliegt, führt nur zu einer 1,36-fachen Strahlausdehnung und nicht zur einer 10-fachen Strahlausdehnung. Somit führt ein Winkelbereich von ±0,15 Grad, der den SLM in der Richtung des Sweet-Spots beleuchtet, multipliziert mit einer 1,36-fachen Strahlausdehnung zu einem Planwellenspektrum von nur ±0,2 Grad. Mit anderen Worten, es ist ein Winkelbereich von ±0,15 Grad erforderlich, um den Sweet-Spot aufzuspannen, der einem Winkelbereich von ±0,2 Grad entspricht, welcher innerhalb des Volumengitters mit einer hohen Beugungseffizienz gebeugt werden muss. Somit sollte es ausreichend sein, dass das Volumengitter diesen Winkelbereich akzeptiert. Dies bedeutet, dass das Volumengitter für dieses beleuchtende Planwellenspektrum von ±0,2 ° deg eine hohe Beugungseffizienz aufweisen muss. Diese Erklärung kann verwendet werden, um den Parameterbereich der auf Bragg-Beugung basierenden Volumengitter zu definieren, die z. B. innerhalb der Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet werden.
Bei den Simulationen wurde die Winkelselektivität η(θ_R) z.B. eines 16 µm dicken Volumengitters, das eine Beugung von 41,55 Grad/0 Grad für eine Wellenlänge von 532 nm vorsieht, berechnet. Dort kann für eine Beleuchtung mit einem Planwellenspektrum von ±0,2 Grad eine Beugungseffizienz größer als 0,9 erhalten werden. Somit ist eine Volumengitterdicke von 16 µm oder z. B. 20 µm ausreichend, um das erforderliche Planwellenspektrum mit einer hohen Beugungseffizienz zu beugen.
Dies bedeutet auch, dass das Ausdehnen des Planwellenspektrums, das nur 1,36x ist, ein unbedeutender Teil des 10x-Faktors ist, der in die vollständige Ausführungsform der Hintergrundbeleuchtungseinheit der Beleuchtungsvorrichtung eingeführt ist. Somit findet eine Wellenfeldausdehnung von 7,35X auf der Oberfläche statt, die eine zugeschnittene Antireflexionsbeschichtung trägt. Dies ist eine refraktive Wellenfeldausdehnung. Mit anderen Worten, eine keilförmige Hintergrundbeleuchtungseinheit, die eine 10×-Wellenfeldausdehnung realisiert, führt dies mittels Beugung, die der unbedeutende Teil ist, und mittels Brechung, die der hauptsächliche Teil ist, durch (10x = 1,36 × 7,45). Ein Planwellenspektrum von ±0,15 Grad ist vor dem SLM erforderlich, während ein Planwellenspektrum von ±0,2 Grad vor dem Volumengitter erforderlich ist und ein Planwellenspektrum von ±1,5 Grad ist hinter der Kollimationseinheit, d. h., vor der Antireflexionsbeschichtung, erforderlich. Die Antireflexionsbeschichtung ist auf den Substratoberflächen der keilförmigen Hintergrundbeleuchtungseinheit erforderlich, die z. B. bei 84,26 Grad beleuchtet werden. Die Antireflexionsbeschichtung muss einen Eintrittswinkel des Lichts von z. B. (84,26 ± 1,5) Grad bei einem geringen Reflexionsverlust akzeptieren. Diese Randbedingung der Antireflexionsbeschichtung gilt für eines von zwei Volumengittern, das in der anamorphotischen Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet werden kann. Ein erster kleiner Volumengittertragender Substratstreifen, der am unteren Abschnitt der Hintergrundbeleuchtungseinheit angeordnet und horizontal orientiert ist, muss den Eintrittswinkel des Lichts von (84,26 ± 1,5) Grad mit einem geringen Reflexionsverlust akzeptieren. Die andere, orthogonale Richtung und somit das große Volumengitter in Displaygröße ist hinsichtlich dieses zu transmittierenden Winkelbereichs nicht empfindlich. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die kohärente Richtung mit einem viel schmaleren Planwellenspektrum arbeitet. Die breiteste Winkelakzeptanz wird für die Richtung gefordert, die letztlich den Sweet-Spot aufspannt. Diese Richtung wird hinsichtlich des den SLM beleuchtenden Wellenfeldes als die inkohärente Richtung bezeichnet.
In 5 ist ein Strahlformungsdiffusor BS gezeigt, der in Segmente S unterteilt ist. Die Pfeile innerhalb der einzelnen Segmente S des Strahlformungsdiffusors BS zeigen die Orientierung eines technischen Oberflächenreliefprofils, d. h., eines Phasenprofils, innerhalb der Segmente des Strahlformungsdiffusors BS. Wenn z. B. ein Strahlformungsdiffusor eine rechteckige Intensitätsverteilung mit einem Seitenverhältnis von 2:1 (horizontale : vertikale Ausdehnung) erzeugt, wenn er mit einem Lichtstrahl beleuchtet wird, wird eine Drehung um 90 Grad zu einer gedrehten Intensitätsverteilung, die ein Seitenverhältnis von 1:2 aufweist, führen. Dies ist der Grund, warum die Orientierung des Phasenprofils des Strahlformungsdiffusors in Abhängigkeit von der Winkelposition der verwendeten gedrehten Platte geändert werden muss. Dies kann auch in einer kontinuierlichen Weise, d. h., ohne eine sichtbare Segmentierung, durchgeführt werden.
Der beschriebene Strahlformungsdiffusor BS kann z. B. eine rechteckige Flat-Top-Intensitätsverteilung in seinem Fernfeld vorsehen, die für eine richtige Beleuchtung des SLM verwendet wird, selbst im Fall der Verwendung einer rotierenden Streuplatte als Strahlformungsdiffusor. Selbst wenn eine Rotation vorgesehen ist, wird die relative Orientierung des technischen Oberflächenreliefprofils des Strahlformungsdiffusors BS, wenn überhaupt, nicht signifikant geändert.
Im Fall der Verwendung einer sich schnell eindimensional bewegenden Folie ist diese Art der segmentierten Orientierungsänderung eines eine rechteckige Flat-Top-Verteilung erzeugenden Strahlformungsdiffusors nicht notwendig.
Mit anderen Worten und im Detail zeigt 5 eine orientierungsabhängige Strukturierung des Strahlformungsdiffusors BS, mit hier 36 Segmenten S. Die gezeigten Pfeile werden verwendet, um die Orientierung der beispielhaften Segmente S zu markieren. Die Übergangszonen könnten mit schwarzen Streifen verdeckt sein. Aufgrund der Tatsache, dass die Strahlformungsdiffusoren definierte Phasenverteilungen aufweisen, die unter Verwendung lithographischer Techniken hergestellt werden können, ist es nicht schwierig, eine kontinuierliche oder wenigstens annehmbare kontinuierliche Intensitätsverteilung mit der durch die Anwendung definierten spezifischen Orientierung zu erzeugen.
Die Verwendung einer technischen Strahlformungsdiffusor-Struktur, die eine nicht rotationssymmetrische Winkelstreuung des im Fernfeld zu erzeugenden Intensitätsmusters aufweist, erzeugt eine zusätzliche Designfreiheit. Hinsichtlich der in 2 teilweise veranschaulichten Ausführungsform kann eine unsymmetrische Winkelstreuung verwendet werden, um eine astigmatische Beleuchtung von ihr zu kompensieren oder eine richtungsabhängige Lichtstrahlformung zu erzeugen. Die Strahlstreuplatte als Strahlformungsdiffusor, die in 2 gezeigt ist, kann z. B. eine wohldefinierte 2:1 Flat-Top-Intensitätsverteilung in der Eintrittspupille der Kollimationseinheit, die weiter entlang dem Lichtweg verwendet wird, für verschiedene Intensitätsprofile erzeugen, die auf der Strahlstreuplatte vorgesehen werden könnten. Auch kann sie diese Fernfeld-Intensitätsverteilung, die ein rechteckiges Profil aufweist, für verschiedene Planwellenspektren oder Wellenfelder im Allgemeinen gleichzeitig erzeugen. Dies bedeutet, dass es ein universelles Werkzeug gibt, das die Beleuchtungseigenschaften und die Kohärenzeigenschaften vorsehen kann, die z. B. für eine 1D- oder für eine 2D-Kodierung von Hologrammen erforderlich sind.
Es können piezoelektrische Aktuatoren (PZT) oder andere Typen von Aktuatoren verwendet werden, um eine dynamische Phasenrandomisierung vorzusehen, wenn sie mit kleinen Segmenten S des Strahlformungsdiffusors kombiniert werden. Die PZT sehen z. B. schnelle Bewegungen bei einer angemessen hohen Amplitude unter Verwendung von Spitzenvergrößerungsstrukturen vor. Somit kann z. B. eine schnelle synchronisierte Bewegung im Bereich von 100 µm implementiert werden. Es ist auch möglich, einen gepulsten und SLMsynchronisierten Schwingspulenbetrieb zu verwenden. Ein derartiger Betrieb kann eine angemessene Amplitude der Strahlformungsdiffusor-Segmentbewegung im Millisekundenbereich (ms-Bereich) vorsehen. Somit können z. B. PZT mit Hebelstrukturen, d. h., Biegungsaktuatoren, bimorphe Biegeeinrichtungen, die eine Bewegung bis zu mehreren mm vorsehen können, oder bimorphe Scheibenaktuatoren, die eine verstärkte Bewegung vorsehen, verwendet werden, um ein Segment S von mehreren Quadratmillimetern innerhalb einer Millisekunde nur entlang ≥ 100 µm zu bewegen. Unter Verwendung eines synchronisierten Gegentaktansatzes können zwei Zyklen für die Operation verwendet werden, d. h., Bewegen in einer Richtung und Rückwärtsbewegen. Somit ist keine rotierende Streuplatte erforderlich.
6 zeigt eine allgemeine Ausführungsform einer vorgesehenen komplexwertigen und ausgedehnten zu kollimierenden Lichtquelle DLS, die innerhalb einer bevorzugten holographischen dreidimensionalen Anzeigevorrichtung verwendet wird. Es wird eine Intensitätsverteilung I-DLS vorgesehen, um die Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS, die letztlich zu erzeugen ist, zu beleuchten. Eine Amplitudenmaske a-LS ist in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS vorgesehen. Die Amplitudenmaske a-LS sieht eine erforderliche Amplitudenverteilung der ausgedehnten Lichtquelle DLS vor. Weiterhin ist in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle DLS eine Phasenmaske p-LS vorgesehen. Die Phasenmaske p-LS ist hinter der Amplitudenmaske a-LS angeordnet. Eine erforderliche Phasenverteilung der ausgedehnten Lichtquelle DLS wird durch die Phasenmaske p-LS erzeugt. Ein flat-top-vorsehender Strahlformungsdiffusor BS-flat-top, der eine rechteckig geformte Intensitätsverteilung in seinem Fernfeld vorsieht und der als eine rotierende Streuplatte wirkt, sieht einen erforderlichen dynamischen Phasenterm der ausgedehnten zu erzeugenden und zu kollimierenden Lichtquelle DLS, vor. Dieser flat-top-vorsehender Strahlformungsdiffusor BS-flat-top ist z. B. hinter der Phasenmaske p-LS angeordnet. Eine Feldlinse FL ist auch in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle vorgesehen. Es ist bevorzugt, die Feldlinse FL hinter der Phasenmaske p-LS, gesehen in Lichtausbreitungsrichtung, anzuordnen. Die longitudinale Reihenfolge der einzelnen Elemente kann jedoch auch geändert werden. Somit kann der Strahlformungsdiffusor auch zur linken Seite der in 6 gezeigten Anordnung verschoben werden. Die Feldlinse FL verschiebt die Verteilung des vorgesehenen Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | von der Fernfeld-Fourier-Ebene in die Ebene des zu beleuchtenden SLM innerhalb der holographischen Anzeigevorrichtung. Mit anderen Worten, die Feldlinse FL verschiebt die richtige Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in die SLM-Ebene.
7 zeigt eine Linienabtastung der Intensität einer Airy-Verteilung, die als a² bezeichnet wird. Weiterhin ist eine Phasenverteilung gezeigt, die als φ bezeichnet wird. Die Phasenverteilung ist ein stufenförmiges Profil, das einen Bereich von insgesamt 2π aufspannt. Somit ist eine komplexwertige Verteilung gezeigt, die innerhalb einer Ebene einer zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden könnte. Diese Phasenverteilung kann auch zu einer geringfügig gekrümmten Verteilung erweitert werden, wenn das Bildfeld der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle nicht angemessen flach ist.
Für eine 1D-Kodierung eines Hologramms ist die bevorzugte komplexwertige Verteilung der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle eine sinc-funktionsartig geformte Verteilung mit phasenverschobenen Nebenmaxima. Mit anderen Worten, der bereits offenbarte Schlitz, der die ausgedehnte Lichtquelle bildet, erhält zusätzlich eine Amplitudenverteilung. Diese Amplitudenverteilung ist zu der Amplitudenverteilung einer sinc-Funktion äquivalent. Die Phasenverteilung, die vorher konstant gewesen sein kann, wird in eine binär geformte Phasenverschiebungsmaske geändert, die das optimierte Phasenprofil aufweist. Die ±1. Nebenmaxima sind hinsichtlich des zentralen Bereichs/Gebiets der Funktion um π verschoben. Diese binäre π-verschobene Funktion könnte erweitert werden, um weitere Nebenmaxima, z. B. ±2. Nebenmaxima, die wieder die gleiche Phase wie der zentrale Bereich aufweisen, oder sogar ±3. Nebenmaxima, die die gleiche Phase wie die ±1. Nebenmaxima aufweisen, die um π hinsichtlich des zentralen Bereichs verschoben sind, zu verwenden. Die Verwendung weiterer Nebenmaxima bedeutet hier, eine schärfere Definition der Rechteckfunktion (rect-Funktion) zu erhalten, die den komplexen Kohärenzgrad weiter in der Ebene des Hologramms beschreibt, das mit der definierten räumlichen Kohärenz zu belichten ist.
Der Einfachheit halber ist es ausreichend, diesen komplexwertigen sinc-Funktions-Ansatz nur in einer Richtung zu verwenden. Dieser sinc-Funktions-Ansatz könnte auch entlang der orthogonalen Richtung mit einer größeren Ausdehnung verwendet werden. Ein derartiger Ansatz würde jedoch arbeitsintensiv sein, was für eine 1D-Kodierung vermieden werden kann. Dann wird ein horizontal ausgerichteter Schlitz, der als eine zu kollimierende ausgedehnte Lichtquelle wirkt, vorgesehen. Es gibt hier z. B. in der horizontalen Richtung der innerhalb der SLM-Ebene vorgesehenen räumlichen Kohärenz winzige Nebenmaxima. Die winzigen Nebenmaxima werden aber nur eine Auswirkung auf die benachbarten Farbfilterstreifen haben, die nur eine andere Farbe durchlassen und somit inkohärent zueinander sind. Dies bedeutet, dass es ausreichend sein könnte, z. B. ein teilweises gaußförmiges Amplitudenprofil entlang der horizontalen Richtung der schlitzartigen ausgedehnten Lichtquelle hinzuzufügen.
Wenn der sinc-artige Ansatz in der langen Ausdehnung der schlitzartigen ausgedehnten Lichtquelle erweitert würde, würde das ausgedehnte Licht in dieser Richtung weiter vergrößert. Somit kann das Planwellenspektrum, das z. B. durch auf Bragg-Beugung basierende Volumengitter, die die Hintergrundbeleuchtungseinheit bilden, oder die gemultiplexte Feldlinsengeometrie übertragen werden kann, vergrößert werden. Ein Planwellenspektrum, das z. B. unter Verwendung einer zu kollimierenden einfachen schlitzartigen Lichtquelle hinsichtlich der Anfangssituation z. B. 2- oder 3-mal vergrößert wird, verringert den Parameterraum der Volumengitter signifikant und ist Somit nicht bevorzugt. Eine einfache Struktur oder wenigstens eine Struktur, die hinsichtlich der optimalen theoretischen Ausführungsform vereinfacht ist, könnte entlang der großen Achse des ausgedehnten Lichtquellenbereichs verwendet werden.
Wie bereits offenbart, zeigt 7 das Quadrat der Amplitudenverteilung (a² = I) und die Phasenverteilung einer Amplituden- + Phasenverteilung, die innerhalb der vorderen Brennebene einer Kollimationseinheit verwendet werden könnte. Der Bereich der eingeführten Phase beträgt wenigstens π. Das binäre Phasenprofil kann als eine Approximation verwendet werden. Es können Mehrebenen- und teilweise kontinuierliche Phasenverteilungen verwendet werden, um die komplexwertige Verteilung der erforderlichen Amplituden- + Phasenverteilung zu erzeugen.
Es könnte kosteneffizient sein, eine komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle, die die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂| innerhalb der SLM-Ebene vorsieht, die die dynamischen Subhologramme aufweist, unter Verwendung einer gedämpften Phasenverschiebungsmaske zu realisieren. In einigen Spezialfällen könnte es jedoch vorteilhaft sein, einen kleinen komplexwertigen SLM, der die komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle bildet, z. B. mit der gesamten erforderlichen Funktionalität oder ohne den Teil der schnellen dynamischen Phasenrandomisierung, der dennoch unter Verwendung eines rotierenden Streuers implementiert sein kann, zu verwenden. Der rotierende Streuer weist ein zugeschnittenes Strahlformungsoberflächenreliefprofil auf, das in seinem Fernfeld ein Flat-Top-Intensitätsprofil erzeugt.
Das Schalten von einer 1 D-Kodierung zu einer 2D-Kodierung könnte auch durch das Vorsehen von zwei komplexwertigen, aber festen gedämpften Phasenverschiebungsmasken realisiert werden.
Ein dynamischer komplexwertiger SLM, der als die ausgedehnte komplexwertige Lichtquelle verwendet wird, kann vorgesehen sein, wenn eine dynamische Subhologramm-Anpassung erforderlich ist. Dies kann verwendet werden, um das retinale Übersprechen zwischen Objektpunkten weiter zu verringern. Mit anderen Worten, wenn nur kleinere Subhologramme in dem SLM, der die holographische dreidimensionale Szene oder das holographische dreidimensionale Objekt erzeugt, dargestellt werden, kann die Größe der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ebenfalls verringert werden.
Im Detail gesehen, könnte der eindimensionale Ausschnitt der in 7 gezeigten komplexwertigen Funktion wenigstens entlang der kleinen Erweiterung der zu kollimierenden schlitzartigen ausgedehnten Lichtquelle innerhalb einer Kollimationseinheit verwendet werden. Er ist ein eindimensionaler Ausschnitt einer Bessel-Funktion. Für eine 1 D-Kodierung eines Hologramms kann eine eindimensionale sinc-Funktion verwendet werden. Eine sinc-Funktion kann für eindimensionale Hologramme oder rechteckig geformte zweidimensionale Subhologramme verwendet werden. Eine Bessel-Funktion kann für kreisförmige zweidimensionale Subhologramme verwendet werden. Die in 7 gezeigte komplexwertige Funktion kann ein Ausschnitt einer zweidimensionalen rotationssymmetrischen komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle sein, die durch eine Kollimationseinheit einer holographischen Anzeigevorrichtung unter Verwendung zweidimensionaler kodierter kreisförmiger Subhologramme kollimiert wird. Zu dem gezeigten Phasenprofil kann z. B. eine zusätzliche Bildfeldwölbung hinzugefügt werden, um die Funktionalität in Anbetracht des gesamten optischen Systems und ebenfalls seiner Aberrationen und gekrümmten Bildebenen zu optimieren. Diese gezeigte Verteilung ist ein Teil des statischen komplexwertigen Teils der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle. Somit kann für eine 2D- und eine 1 D-Kodierung von Hologrammen eine definierte Fiat-Top-Charakteristik der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades in der SLM-Ebene mit den Subhologrammen, erhalten werden.
Zu der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle können zusätzliche Fokusterme hinzugefügt werden, um das zugeschnittene Profil der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, z. B. einer streifenartigen räumlichen Flat-Top-Verteilung für 1 D-kodierte Subhologramme und einer kreisförmigen Flat-Top-Verteilung für 2D-kodierte Subhologramme, in die vorgesehene Ebene zu verschieben. Die vorgesehene Standardebene ist die Ebene des komplexwertigen SLM. Dies ist die Ebene, die die Subhologramme aufweist. Somit kann eine reale oder imaginäre konvexe Linse zu der Ebene der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt werden. Es kann z. B. ein statischer Phasenterm hinzugefügt werden. Im einfachsten Fall kann jedoch eine Linse hinzugefügt werden. Diese Linse kann eine Brennweite f_LS aufweisen, die die gleiche wie die Brennweite der Kollimationseinheit f_COLL ist.
Es müssen mehrere Randbedingungen berücksichtigt werden. Hier kann eine Implementierung von vertikal kodierten eindimensionalen Subhologrammen angenommen werden, d. h., nur vertikale Parallaxe (VPO). Die seitliche Ausdehnung der horizontalen Kohärenz sollte sich im Bereich des horizontalen Pixel-Pitchs befinden, die sich z. B. im Bereich von nur (50-500) µm befindet. Die exakten Werte hängen von den diskreten Ausführungsformen der Anzeigevorrichtung ab. Die horizontale Ausdehnung einer Pixelspalte des SLM sollte z. B. wenigstens kleiner als 1/60 Grad sein, was die Winkelauflösung des menschlichen Auges ist. Dies gilt für einen zeitsequentiellen Farbanzeigemodus und ebenfalls für die Verwendung von Farbfiltern. Wenn Farbfilterstreifen innerhalb einer 1 D-kodierten holographischen Anzeigevorrichtung verwendet werden, sollten mehrere Farbfilterstreifen innerhalb dieses Winkelbereichs von 1/60 Grad vorgesehen werden. Dies definiert die Werte des horizontalen Pixel-Pitches des oben gegebenen SLM. Somit scheint eine horizontal zusammengedrückte Kohärenzverteilung eine praktische Approximation für diese Anforderung zu sein, mit anderen Worten, um die Kohärenz horizontal zu begrenzen.
In der folgenden Offenbarung wird die vertikale Ausdehnung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades betrachtet.
Eine weitere Randbedingung ist die Beleuchtung des SLM mit einer vertikalen Ausdehnung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die die Größe des größten Subhologramms nicht überschreitet, das für die Kodierung der dreidimensionalen Szene verwendet wird. Die seitliche Ausdehnung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades kann z. B. auf 2,9 mm begrenzt sein, selbst wenn das Subhologramm eine Ausdehnung von z. B. 4 mm oder 5 mm aufweist.
Weitere zu betrachtende Verbesserungen der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung:
• Horizontale Apodisation
Eine Verbesserung bezieht sich auf die Fourier-Ebene, die die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorsieht. Der SLM muss nicht in der Fourier-Ebene der Kollimationseinheit angeordnet sein. Der SLM könnte z. B. nah bei der oder in der Austrittsebene der Kollimationseinheit angeordnet sein, die nicht ihre Fourier-Ebene ist. Die Fourier-Ebene der Kollimationseinheit ist die hintere Brennebene, während die zu kollimierende ausgedehnte Lichtquelle in der vorderen Brennebene der Kollimationseinheit vorgesehen ist. Ein zusätzlicher Phasenterm kann zu dieser Ebene der ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt werden, um die vorgesehene und gewünschte optimale Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene, die den zu beleuchtenden SLM aufweist, unabhängig von dem tatsächlichen Ort der Fourier-Ebene der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle anzuordnen. Mit anderen Worten, die erforderliche räumliche Kohärenz kann in der Verteilung vorgesehen werden, die optimal ist. Auch kann ein zugeschnittener Betrag des komplexen Kohärenzgrades dort vorgesehen werden, wo er erforderlich ist, mit anderen Worten, wo der SLM angeordnet ist.
Es können noch weitere Verfeinerungen implementiert werden. Wenn es mehrere horizontale Nebenmaxima der Verteilung der Funktionen der gegenseitigen Kohärenz |µ₁₂ | gibt, können diese Nebenmaxima z. B. durch das Einführen eines zusätzlichen Apodisationsprofils entlang der horizontalen Richtung der ausgedehnten Lichtquelle unterdrückt werden. Daher kann ein sinc-artiges Amplitudenprofil, das zusätzlich ein binäres Phasenprofil enthält, ebenfalls verwendet werden, um eine komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle entlang der horizontalen Richtung zu bilden. Somit kann ein Flat-Top-Profil der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | auch horizontal verwirklicht werden. Die seitliche Ausdehnung dieser weitere modifizierten ausgedehnten Lichtquelle könnte die z. B. durch die Bragg-Beugungs-Volumengitter, die weiter entlang dem Lichtweg verwendet werden, vorgesehene Winkeltransmission übersteigen. Selbst wenn eine seitliche Ausdehnung der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle von z. B. 5 mm praktisch sein könnte, könnte eine seitliche Ausdehnung von z. B. 15 mm entlang der zur 1 D-Kodierung verwendeten inkohärenten Richtung nicht mehr praktisch sein. Die Machbarkeit hängt von dem diskreten optischen System der verwendeten holographischen Anzeigevorrichtung ab. Dieser Ansatz für die vertikale Richtung kann auch für die horizontale Richtung implementiert werden.
Es könnte jedoch auch angenommen werden, dass die vertikale Orientierung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | der vertikalen Orientierung der verwendeten RGB-Farbfilterstreifen folgt. Somit weist jeder Farbfilterstreifen zwei seitlich benachbarte Farbfilterstreifen entlang jeder Richtung, d. h., insgesamt vier benachbarte Farbfilterstreifen bezüglich der anderen Farben, auf. Somit ist es nicht erforderlich, die plus/minus ersten Nebenmaxima, die plus/minus zweiten Nebenmaxima oder sogar die plus/minus dritten Nebenmaxima vollständig zu eliminieren. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass diese Nebenmaxima durch die anderen benachbarten Farbfilterstreifen blockiert werden können. Dies weist darauf hin, dass ein einfacheres Apodisationsprofil entlang der horizontalen Richtung verwendet werden kann. Ein derartiges einfaches Apodisationsprofil kann z. B. eine Amplitudenverteilung sein, die zu einem Kaiser-Bessel-Fenster, zu einer Gauß-Funktion oder nur zu einem Teil einer einfachen Kosinus-Funktion äquivalent ist. Es kann hier auch ein einfaches Amplitudenprofil verwendet werden, um das räumliche Frequenzspektrum zu verringern.
In 8 ist eine sinc-artige Intensitätsverteilung gezeigt. Eine derartige Intensitätsverteilung kann in der Lichtquellenebene einer nur vertikale Parallaxe vorsehenden holographischen Anzeigevorrichtung, d.h., für eine 1 D-Kodierung eines Hologramms, vorgesehen sein. Die Amplitudenverteilung einer gezeigten schlitzartigen Lichtquelle, weist eine rechteckfunktionsartige Verteilung entlang der horizontalen x-Richtung und eine sinc-funktionsartige Verteilung entlang der vertikalen y-Richtung auf. Eine Randomisierung der von Null (0) bis Eins (1) reichenden Werte wird verwendet, um eine binäre Verteilung zu erhalten. Die Randomisierung verwendet hier einen Schwellenwert von etwa 0,08, um die Nebenmaxima zu sehen und zu erhalten, die nicht vorhanden sind, wenn z. B. ein Schwellenwert von 0,5 verwendet wird. Dies bedeutet, dass ein Schwellenwert von etwa 0,08 für die transparenten Teile verwendet wird. Dieses Schwarzweißbild, das ein binäres Bild ist, nach 8 zeigt, dass in der Lichtquellenebene auch eine binäre Amplitudenverteilung verwendet werden kann. Mit anderen Worten, die für die komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle verwendete Amplitudenmaske, die die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorsieht, kann als eine binäre Amplitudenmaske realisiert werden, was eine kosteneffiziente Implementierung sein könnte. Solange die numerische Apertur innerhalb des Lichtweges, der der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle folgt, so klein ist, dass der feine Pitch der Randomisierung durch das optische System der Anzeigevorrichtung nicht aufgelöst wird, wird letztlich eine effektive Graustufenverteilung der ausgedehnten Lichtquelle erhalten. Wenn diese binäre randomisierte Intensitätsverteilung als ein Lichtbild innerhalb einer klassischen Projektionsvorrichtung verwendet würde und die numerische Apertur eines Projektionssystems den für die binäre Randomisierung verwendeten feinen Pitch nicht auflösen würde, ist das auf dem Schirm der Projektionsvorrichtung erhaltene Bild ein glattes Graustufenbild. Im Vergleich zu der Verwendung einer tatsächlichen Graustufenmaske in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle verringert diese hier offenbarte Technik der randomisierten Binärmustererzeugung die Herstellungskosten.
Zurück zu dem sinc-artigen Lichtquellenschlitz, in 8 ist eine binäre Schwarzweißversion der Graustufenverteilung, die die Werte von 0 bis 1 überspannt, gezeigt. Eine Randomisierung der Verteilung wurde verwendet, um binäre Schwarzweißbilder zu erhalten. Ein verwendeter Schwellenwert von z. B. 0,5 führt infolge der Tatsache, dass keine Nebenmaxima erkennbar sind, nicht zu einem praktischen Ergebnis. Ein Schwellenwert von z. B. 0,15 würde zu zwei Nebenmaxima führen. Ein z. B. auf 0,08 verringerter Schwellenwert würde zu sechs Nebenmaxima führen, wie in 8 gezeigt ist.
Weiterhin ist es möglich, eine Amplitudenverteilung einer ausgedehnten Lichtquelle vorzusehen, die ein zusätzliches horizontal orientiertes Super-Gauß-Apodisationsprofil aufweist. Die zusätzliche Modulation der Amplitude kann zu der zusätzlichen Modulation eines rein rectartigen Schlitzes äquivalent sein. Diese zusätzliche Super-Gauß-Funktion, die durch den multiplikativen Faktor oder die Formel exp(-Nx² /σ² ) beschrieben wird und mit der Modulation multipliziert wird, kann ein N von 3 und ein σ (sigma) von 4 mm aufweisen. Hier ist N die N-te Potenz der anfänglichen Gauß-Funktion, die als ein zusätzliches Apodisationsprofil verwendet wird und die als eine zweidimensionale Verteilung multipliziert mit der primären nichtapodisierten sinc-Funktion, implementiert ist. Auch ist Sigma die halbe Breite des halben Maximalwerts der anfänglichen Gauß-Funktion. Beispielhafte Werte sind in den 9 und 11 angegeben.
Selbst wenn die zusätzliche Amplitudenmodulation nach einer Super-Gauß-Funktion für einen rechteckigen Streifen funktionieren würde, würde sie nicht für eine ausgedehnte Lichtquelle funktionieren, die bereits eine vertikale sinc-artige Modulation aufweist. Eine zusätzliche horizontal eingeführte Apodisation würde zu stark sein und würde somit die Homogenität des Plateaus der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades signifikant verringern. Somit würde eine derartige Verteilung nicht optimal sein.
Hinsichtlich der horizontalen Apodisation kann eine angemessen breite Gauß-Funktion mit N = 1 verwendet werden. Für einen horizontalen Schlitz sind Sigmawerte von σ ≥ 50 mm ausreichend, um eine angemessene Unterdrückung der horizontalen Nebenmaxima der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorzusehen.
• Vertikale Apodisation
Obwohl die Verteilung des Plateaus des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | unter Verwendung einer komplexwertigen sinc-artigen Verteilung der komplexen Amplitude der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle ausreichend geformt ist, führt das Begrenzen der vertikalen Ausdehnung der sinc-Funktion zu zwei Spitzen am Rand des Plateaus, die etwas vergrößerte Werte zeigen. Mit anderen Worten, diese beiden Spitzen am Rand des Plateaus weisen einen Wert von 1 auf, während die Mitte des Plateaus auf Werte zwischen |µ₁₂ | = 0,85 bis 0,9 verringert ist.
Der inkohärente Betrag der Subhologrammbeugung trägt nicht zu den imaginären oder realen Objektpunkten in einem dreidimensionalen Raum bei. Somit geht dieser Betrag im Sinn der Beugungseffizienz verloren. Der nicht gebeugte Anteil des Lichts wird in die Ebene des Betrachterfensters fokussiert und zwischen den verschiedenen Beugungsordnungen des verwendeten SLM verteilt. Die in der Anzeigevorrichtung verwendete Feldlinse vermeidet, dass nicht gebeugtes Licht das Auge des Betrachters trifft. Daher sind die Beträge des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | geringfügig kleiner als 1 ebenso praktikabel und anwendbar.
9 veranschaulicht ein dreidimensionales Konturdiagramm einer sinc-artigen Intensitätsverteilung, die in der Ebene einer ausgedehnten Lichtquelle einer nur vertikale Parallaxe vorsehenden holographischen Anzeigevorrichtung verwendet werden kann. Eine Gauß-Apodisation ist entlang zwei Richtungen zu der ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt. Das mit der anfänglichen sinc-Funktion multiplizierte Apodisationsprofil ist nicht symmetrisch. Es sind zwei verschiedene Gauß-Funktionen verwendet worden, eine für die x-Richtung und eine weitere für die y-Richtung. Die beiden Gauß-Funktionen sind in die N-te Potenz erhoben worden. Entlang der y-Richtung der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle ist N 2, während entlang der x-Richtung der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle N 1 ist. Der Sigma-Wert σ ist entlang der y-Richtung 1 mm und entlang der x-Richtung der Lichtquellenebene 50 mm.
Mit anderen Worten, die Amplitudenverteilung der in 9 gezeigten Ebene der ausgedehnten Lichtquelle weist eine sinc-artige Apodisation oder eine sinc-artige Amplitudenverteilung entlang der vertikalen y-Achse auf, die mit einer entlang der vertikalen y-Richtung vorhandenen gaußartigen Modulation multipliziert ist. Diese vertikale Gauß-Apodisationsfunktion wird durch den multiplikativen Faktor exp(-Nx²/σ²) beschrieben und weist ein N von 2 und ein σ von 1 mm auf. Zusätzlich wird eine weitere horizontale Amplitudenmodulation als ein multiplikativer Faktor angewendet. Dieser Amplitudenmodulation, d.h. eine Funktion der horizontalen x-Richtung, folgt eine Super-Gauß-Funktion, die durch den multiplikativen Faktor exp(-Nx²/σ² ) beschrieben wird und die ein N von 1 und ein σ von 50 mm aufweist. Hier gibt es drei Apodisationsfunktionen, eine mit einer Gauß-Funktion multiplizierte sinc-Funktion; wobei beide Funktionen nur von der y-Richtung sind, und eine Gauß-Funktion, die nur eine Funktion der horizontal orientierten x-Richtung ist. Obwohl Funktionen der x-Achse und der y-Achse verwendet werden könnten, ist dies für ausgedehnte Lichtquellen nicht absolut notwendig, die für eine 1 D-Kodierung optimiert und verwendet werden.
10 zeigt ein binäres Phasenprofil oder eine Verteilung einer ausgedehnten Lichtquelle bezüglich der 8 und 9. Der Bereich des binären Phasenprofils ist -π/2 bis +π/2, d. h., insgesamt 2π. Die gezeigten schwarzen und weißen Streifen oder Bereiche charakterisieren Phasenplateaus von -π/2 und +π/2. Das Vorsehen der hier gezeigten und durch eine Phasenmaske erzeugten transparenten Phasenverteilung ist in 6 veranschaulicht. Eine horizontal orientierte schlitzartige ausgedehnte Lichtquelle ist für eine vertikal implementierte 1 D-Kodierung eines Hologramms, d. h., nur vertikale Parallaxe (VPO), bevorzugt. Die horizontale Ausdehnung des Schlitzes, d. h., die Breite des Schlitzes, kann z. B. etwa 5 mm betragen. Die Einhüllende der horizontalen Richtung, die zu der x-Achse oder der x-Richtung der Lichtquellenebene parallel ist, ist eine rect-Funktion. Dies bedeutet, dass die rect-Funktion ein rechteckiges Plateau mit einem Wert von 1 auf dem Plateau und einem Wert von 0 (null) im Außenbereich zeigt. Die vertikale Richtung, die zu der y-Achse oder der x-Richtung der Lichtquellenebene parallel ist, wird moduliert. Die Modulation ist zu einer sinc-Funktion äquivalent, genauer ist sie der Betrag einer sinc-Funktion.
11 zeigt in Draufsicht ein Konturdiagramm der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Ebene des zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulators (SLM), mit anderen Worten, in der Fourier-Ebene der kollimierten ausgedehnten Lichtquelle innerhalb einer holographischen Anzeigevorrichtung. Das Konturdiagramm kann unter Verwendung der Intensitätsverteilung nach 9 und der in 10 gezeigten binären Phasenverteilung erhalten werden. Es kann gesehen werden, dass ein vorgeschlagenes und gewünschtes Plateau erhalten wird. Ein derartiges Plateau kann z. B. für eindimensional kodierte holographische Anzeigevorrichtungen verwendet werden.
Die Ausführungsform hinsichtlich 9 kann praktisch sein, um angewandt zu werden, um die Verteilung des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | für holographische Anzeigevorrichtungen unter Verwendung der 1D-Kodierung von Subhologrammen zu präparieren oder zu erzeugen. In dieser Ausführungsform wird z. B. eine nur vertikale Parallaxe-Kodierung angenommen, mit anderen Worten, es wird eine vertikale Orientierung der Linsenstreifensegmente der Subhologramme und z. B. eine vertikale Orientierung der Farbfilterstreifen angenommen. Eine zeitsequentielle RGB-Rekonstruktion von Hologrammen erfordert nicht die Implementierung eines Farbfilters.
Die Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist ausreichend, um innerhalb der holographischen Anzeigevorrichtungen unter Verwendung der 1D-Kodierung der Subhologramme verwendet zu werden.
Für eine 1D-Kodierung unter Verwendung nur der vertikalen Parallaxe gibt es eine horizontale rect-Funktion, die mit einer entsprechenden horizontalen Gauß-Funktion apodisiert ist, und eine vertikale komplexwertige sinc-Funktion mit einer weiteren vertikalen Gauß-Funktion. Ein zusätzlicher Phasenterm kann die Ebene der zugeschnittenen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | aus dem Fernfeld in die SLM-Ebene verschieben. Weiterhin können zu der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle Phasenterme hinzugefügt werden, um z. B. die Aberrationen zu kompensieren.
Zusätzlich zu den statischen Termen, wie z. B. der in 19 gezeigten Verteilung, oder den aberrationskompensierenden statischen Phasentermen, die aufsummiert werden, um die komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle zu bilden, könnte eine randomisierte dynamische Phasenverteilung zu der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt werden.
Ein einfacher Ansatz innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung kann sein, einen mehr oder weniger dynamischen Standarddiffusor zu verwenden. Dies führt aber nicht zu einer homogenen Intensitätsverteilung der Anzeigevorrichtung. Zusätzlich ist ein derartiger Ansatz nicht energieeffizient genug. Um eine homogene Beleuchtung der Kollimationseinheit vorzusehen, können diffraktive Strahlformungselemente verwendet werden, die eine Flat-Top-Intensitätsverteilung vorsehen, die in der Ebene der Kollimationseinheit vorliegen. Die Kollimationseinheit kann z. B. eine diffraktive auf Bragg-Beugung basierende Linse, einen off-axis Parabolspiegel (OAPM), eine refraktive achromatische Linse oder technische Diffusoren aufweisen. Diese technischen Diffusoren können zugeschnitten sein, um die angeforderte Intensitätsverteilung in der Eintrittsebene der Kollimationseinheit vorzusehen, was z. B. in 2 gezeigt ist, während sie mit der definierten Intensitätsverteilung der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle beleuchtet werden, was z. B. in 8 gezeigt ist.
Die dynamische räumlich randomisierte Phasenmodulation, die innerhalb der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle vorhanden sein muss, muss angemessen schnell sein. Innerhalb eines einzigen Zeitrahmens, in dem eine wellenlängenstabilisierte Laserdiode als Lichtquelle „EIN“-geschaltet wird, d. h., z. B. 2 ms, sollten mehrere randomisierte Phasen erzeugt werden.
12 zeigt ein dreidimensionales Konturdiagramm der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die bereits in 11 gezeigt ist und die in der Eintrittsebene eines SLM, der 1D-kodierte Subhologramme darstellt, vorhanden sein muss. Die Eintrittsebene des SLM ist nicht die Fourier-Ebene der ausgedehnten Lichtquelle, d. h., nicht im Fall der Realisierung kompakter Direktsichtanzeigeausführungsformen. Dies ist der Grund, warum eine Feldlinse in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle, wie z. B. in 3 gezeigt, oder in einer in Beziehung stehenden Ebene, wie z. B. 4 gezeigt, verwendet werden sollte, die die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in die Ebene des SLM verschiebt. Es kann gesehen werden, dass die räumliche Verteilung die Form eines eindimensionalen Subhologramms aufweist. Wie weiter gesehen werden kann, sind die Nebenmaxima entlang der horizontalen Richtung und entlang der vertikalen Richtung ausreichend eliminiert. Im Fall eines Head-Mounted-Displays (HMD), das holographische dreidimensionale Szenen oder Objekte erzeugt, könnte es praktischer sein, einen kleinen SLM mit Subhologrammen in der Fourier-Ebene der ausgedehnten komplexwertigen Lichtquelle vorzusehen, die die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | bildet.
13 zeigt ein Bild der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die bereits in den 11 und 12 gezeigt ist. Diese Verteilung sollte in der Eintrittsebene des beleuchteten SLM vorliegen. Eine Feldlinse, die z. B. in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle angeordnet ist, kann verwendet werden, um die Ebene, die diese Verteilung aufweist, von der Fourier-Ebene der ausgedehnten Lichtquelle in die Eintrittsebene des beleuchteten SLM zu verschieben. Eine Ausnahme ist der Fall der Anordnung des SLM direkt innerhalb der Fourier-Ebene der ausgedehnten komplexwertigen Lichtquelle.
Wie ersichtlich, weist die plateauförmige Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, die in der SLM-Ebene erhalten wird, die Form eines eindimensionalen Subhologramms auf. Die horizontalen Nebenmaxima und die vertikalen Nebenmaxima sind eliminiert.
Die folgenden beschriebenen Ausführungsformen und Erklärungen beziehen sich auf zweidimensional (2D) kodierte Subhologramme oder, mit anderen Worten, auf eine 2D-Kodierung eines Hologramms.
In 14 ist ein dreidimensionales Konturdiagramm einer sinc-Amplitudenverteilung, die in der Ebene einer ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden kann, gezeigt. Diese 14, die für die 2D-Kodierung rechteckiger Subhologramme relevant ist, bezieht sich auf 9, die für die 1D-Kodierung liniensegmentartiger Subhologramme relevant ist. Die hier gezeigte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist jedoch für eine 2D-Kodierung eines Hologramms und z. B. rechteckig geformte Subhologramme optimiert. Hier ist die für eine modifizierte Gauß-Apodisation verwendete Zahl N entlang der y-Richtung und entlang der x-Richtung der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle 2.
Mit anderen Worten, es ist eine Amplitudenverteilung a_LS einer ausgedehnten Lichtquelle gezeigt, die für 2D-kodierte rechteckige Subhologramme, speziell quadratförmige, ausgebildet ist. Die Amplitudenverteilung ist zu einer rechteckig geformten sinc(x, y)-Funktion, multipliziert mit einem zusätzlichen Apodisationsfaktor exp(-Nx² /σ² ) mal exp(-Ny² /σ² ) unter Verwendung eines N von 2 und eines σ von 1 mm für beide Gauß-Apodisationsfunktionen, die entlang der beiden orthogonalen Richtungen, d. h., der x-Richtung und der y-Richtung, vorliegen, äquivalent.
15 zeigt ein binäres Phasenprofil ϕ_LS oder eine Phasenverteilung einer zweidimensionalen sinc-Funktion, das sich auf die Amplitudenverteilung a_LS bezieht, die in Bezug auf 10 gezeigt ist. Mit anderen Worten, die ausgedehnte komplexwertige Verteilung der Lichtquelle, die für die 2D-Kodierung rechteckiger Subhologramme verwendet wird, ist eine sinc-Funktion, die eine zusätzliche Gauß-Amplitudenapodisation enthält. Diese komplexwertige sinc-Funktion weist eine Amplitudenverteilung a_LS , die in 14 veranschaulicht ist, und eine Phasenverteilung ϕ_LS , die in 15 veranschaulicht ist, auf.
Die hier gezeigte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist jedoch für eine 2D-Kodierung eines Hologramms und z. B. rechteckig geformten Subhologrammen optimiert.
Für zweidimensional kodierte kreisförmige Subhologramme ist es wichtig, z. B. eine kreisförmige flächenartige Flat-Top-Verteilung der gegenseitigen Kohärenz vorzusehen, die z. B. 5 mm nicht übersteigen sollte. Dies bedeutet, einen vorzugsweise kreisförmigen flat-top-artig geformten Kohärenzbereich mit einem Durchmesser von z. B. 5 mm vorzusehen. Wie hier bereits angegeben, wird eine zweidimensionale (2D) Kodierung der Subhologramme angenommen, die vorzugsweise kreisförmig sind.
Mit anderen Worten, der Ansatz für 2D-kodierte Subhologramme ist, eine flat-top-artig geformte Verteilung, vorzugsweise eine kreisförmige Verteilung, des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorzusehen, die eine Ausdehnung von z. B. 5 mm nicht übersteigen sollte. Dieser Durchmesser oder diese Ausdehnung kann z. B. runter bis zum Durchmesser der Eintrittspupille des menschlichen Auges verringert werden. Vorzugsweise wird hier ein maximal kodierter Objektpunktabstand von der SLM-Ebene bis zum Betrachterabstand von 50 % angenommen. Wenn der Betrachter z. B. bei z = 600 mm vor einer dreidimensionalen Anzeigevorrichtung des Desktop-Typs, die holographische dreidimensionale Szenen oder Objekte erzeugt, angeordnet ist, könnte der maximal kodierte Abstand z. B. 300 mm sein. Der maximale Durchmesser der Subhologramme kann z. B. runter bis auf nur ≤ 3 mm verringert werden. Dies spart Berechnungsaufwand ein und vergrößert die Berechnungs- und Optimierungsgeschwindigkeit signifikant, z. B. um einen Faktor 3x.
Analog zu der beschriebenen komplexwertigen Formung der innerhalb einer 1 D-kodierten holographischen Anzeigevorrichtung verwendeten ausgedehnten Lichtquelle könnte die komplexwertige sinc-Funktion eine bevorzugte Funktion der ausgedehnten Lichtquelle sein, die für 2D-kodierte holographische Anzeigevorrichtungen verwendet wird. Es kann z. B. eine quadratisch oder rechteckig geformte sinc-Funktion innerhalb der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden. Eine derartige Funktion wird bevorzugt, wenn die Subhologramme auch als Quadrate oder Rechtecke geformt sind. Es ist auch möglich, dass die Subhologramme eine andere Form aufweisen, wie z. B. kreisförmig oder hexagonal. Die Form der sinc-Funktion sollte entsprechend an die Form des Subhologramms angepasst sein. Mit anderen Worten, die Form der sinc-Funktion ist an die Form der Subhologramme anpassbar.
Wie bereits für eine 1D-Kodierung eines Subhologramms offenbart worden ist, können z. B. zusätzliche Gauß-Apodisationsprofile multiplikativ zu der anfänglichen zweidimensionalen sinc(x, y)-Funktion, z. B. einer rechteckig geformten zweidimensionalen sinc(x, y)-Funktion, hinzugefügt werden.
Aufgrund der Tatsache, dass in den Ecken der in 14 gezeigten Verteilung keine signifikanten Amplitudenwerte vorhanden sind, kann die entsprechende Phasenverteilung der in 15 gezeigten komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle in diesen Eckbereichen z. B. auf einen konstanten Wert gesetzt werden.
16 zeigt ein Konturdiagramm der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |. Eine derartige Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | sollte in der SLM-Ebene vorliegen, wo diese Verteilung durch das Kollimieren einer Lichtquelle erzeugt wird, die in ihrer Amplitudenverteilung und in ihrer Phasenverteilung moduliert wird, wie in 14 und 5 gezeigt ist. Zusätzlich wird diese komplexwertige ausgedehnte Lichtquelle mit einer angepassten Feldlinse vorgesehen. Die angepasste Feldlinse stellt sicher, dass die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der gewünschten Ebene vorhanden ist, die die Eintrittsebene des SLM ist.
Wenn jedoch keine angepasste Feldlinse und eine Standardkollimation der ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden, liegt eine Verteilung, die zu der in 16 gezeigten Verteilung ähnlich ist, in der Fourier-Ebene der Lichtquelle vor. Die Fourier-Ebene ist hinter der verwendeten Kollimationseinheit vorgesehen und weist einen Abstand zu der Hauptebene der Kollimationseinheit auf, der zu der Brennweite f_CL der Kollimationseinheit äquivalent ist.
16 kann mit 11 verglichen werden, die die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zeigt, die für 1D-Subhologramme optimiert ist. Die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in 16 gezeigt ist, ist jedoch für eine 2D-Kodierung und rechteckig geformte Subhologramme optimiert.
In 17 ist ein dreidimensionales Konturdiagramm der gleichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades gemäß 16 gezeigt.
Wie in den 16 und 17 weiter ersichtlich, kann eine sehr glatte flat-top-artige Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades erhalten werden. Solch eine sehr glatte Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades ist für zweidimensional kodierte rechteckig geformte Subhologramme vorteilhaft.
Es kann z. B. ein zusätzlicher sphärischer Phasenterm oder eine Linsenfunktion, wie sie z. B. durch die zusätzliche Feldlinse realisiert wird, zu der zugeschnittenen komplexwertigen Verteilung hinzugefügt werden, die in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle vorliegt. Dies kann durchgeführt werden, um die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | exakt in die Ebene des SLM, d. h., in die Ebene, in der diese Verteilung gefordert wird, zu verschieben. Zusätzliche Korrekturen könnten auch durchgeführt werden, um z. B. weitere Aberrationen zu kompensieren, die innerhalb des Lichtwegs vorhanden sein könnten. Somit können auch asphärische Phasenterme implementiert werden.
Außerdem kann eine dynamische randomisierte Strahlformungs-Phasenverteilung, wie sie z. B. durch einen rotierenden oder angemessen schnell seitlich verschiebenden technischen Diffusor vorgesehen wird, zu der zugeschnittenen komplexwertigen Verteilung hinzugefügt werden, die in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle vorliegt. Dies kann durchgeführt werden, um die dynamischen zufälligen Phasenfluktuationen vorzusehen, die innerhalb eines Zeitraums jedes rekonstruierten holographischen Bildes, d. h., innerhalb eines Zeitraums von z. B. 1 ms bis 4 ms, erforderlich sind. Die Prozedur der Verwendung einer zugeschnittenen komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle erfordert eine dynamische und randomisierte Phasenfluktuation, die in der Ebene dieser Lichtquelle vorliegt. Die vorhergehende Offenbarung behandelt nicht die Strahlformung, die vorteilhaft ist, um eine homogene Intensitätsverteilung in der Eintrittsebene des SLM vorzusehen. Beide Funktionen können jedoch miteinander kombiniert werden. Oder es könnten beide Funktionalitäten auch unter Verwendung getrennter optischer Elemente realisiert werden.
Für kreisförmige Subhologramme kann bevorzugt sein, eine rotationssymmetrische Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu verwenden.
Es kann auch bevorzugt sein, rotationssymmetrische Subhologramme zu verwenden, die z. B. nur etwa 0,785-mal die Anzahl der Pixel im Vergleich zu quadratisch oder rechteckig geformten Subhologrammen aufweisen, wenn angenommen wird, dass für diesen Vergleich der größte in ein Quadrat eingepasste Kreis verwendet wird. Dies sichert Kodierungsleistung und elektrische Leistung. Dieser Faktor von 0,785 kann weiter verringert werden, im Fall der Berücksichtigung der effektiven Größe der Eintrittspupille z. B. auf 0,1.
Ungeachtet der Verringerung der erforderlichen Rechenleistung ist die Verringerung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades auf ein erforderliches Minimum bevorzugt, um das retinale Übersprechen zwischen Objektpunkten zu minimieren.
Eine bevorzugte Verteilung einer ausgedehnten Lichtquelle für kreisförmige Subhologramme ist eine Bessel-geformte komplexwertige Verteilung. Diese ist zu einer rotationssymmetrischen sinc(r)-Funktion verschieden, die in diesem Fall nicht bevorzugt ist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine Bessel-Verteilung eine viel bessere plateauförmige Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorgesehen, als es unter Verwendung einer sinc(r)-Funktion der Fall sein würde.
18 zeigt eine Airy-Amplitudenverteilung einer für kreisförmige Subhologramme optimierten ausgedehnten Lichtquelle. Die Airy-Intensitätsverteilung ist zum Quadrat der Amplitudenverteilung proportional.
19 zeigt eine entsprechende binäre Phasenverteilung, die mit der in 18 gezeigten Amplitudenverteilung kombiniert werden muss. Die hier erhaltene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist für eine 2D-Kodierung und kreisförmige Subhologramme optimiert.
Mit anderen Worten, 18 zeigt die Amplitudenverteilung einer Bessel-artig geformten komplexwertigen ausgedehnten Lichtquelle, multipliziert mit einem zusätzlichen Apodisationsfaktor exp(-Nr² /σ² ), der ein N von 2 und ein σ von 1 mm verwendet, wobei r der Radius in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle ist. Der Radius ist r = (x² + y²)^0,5, wobei x und y die kartesischen Koordinaten in der Ebene der Lichtquelle sind. Die Anzahl der Pegelstufen, die einen Bereich zwischen 0 und 1 überspannen, ist fünfzig (50). Die binäre Phasenverteilung ϕ_LS (r), die dieser Amplitudenverteilung der zu kollimierenden zweidimensionalen Bessel-artigen Lichtquelle entspricht, ist in 19 veranschaulicht. Die komplexwertige Funktion der ausgedehnten Lichtquelle ist als c_LS = a_LS * exp(iϕ_LS) definiert. Der Durchmesser des ersten Minimums der Bessel-Amplitudenverteilung ist z. B. d₁ = 300 µm.
In den 20 und 21 sind verschiedene Konturdiagramme einer kreisförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | gezeigt, die in der Fourier-Ebene der kollimierten Lichtquelle mit einer komplexwertigen Modulation, wie in den 18 und 19 gezeigt ist, vorliegen. Die hier gezeigte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist für eine 2D-Kodierung und kreisförmige Subhologramme optimiert. Eine Feldlinsenfunktion, die in der Ebene der Lichtquelle implementiert sein sollte, verschiebt diese Verteilung in die Ebene des SLM, wo sie erforderlich ist, um die Form der größten verwendeten Subhologramme anzupassen.
Somit kann eine komplexwertige Bessel-Funktion in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden, um eine kreisförmige plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades des Wellenfeldes vorzusehen, mit dem der SLM beleuchtet wird. Mehrere zusätzliche Verteilungen der Amplitudenapodisations-Fensterfunktionen können als ein Faktor verwendet werden, mit dem die anfängliche Bessel-Funktion multipliziert wird.
22 zeigt ein Graustufendiagramm der kreisförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades in der Fourier-Ebene der kollimierten Lichtquelle, die wie in den 18 und 19 gezeigt moduliert ist. 22 kann auch mit 13 verglichen werden, die den Fall 1D-kodierter Subhologramme repräsentiert. Die hier gezeigte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist für die 2D-Kodierung und kreisförmige Subhologramme optimiert. Wie hier gesehen werden kann, ist die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | etwa geformt, wie es für zweidimensional (2D) kodierte kreisförmige Subhologramme gefordert wird. In der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle wird eine Linsenfunktion gefordert, um die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades in die Ebene des SLM zu verschieben. Somit repräsentiert die in 22 gezeigte Verteilung die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Eintrittsebene des SLM.
In den folgenden Abschnitten werden weitere Modifikationen der Verteilung der komplexen Amplitude der zu kollimierenden Lichtquellenebene beschrieben.
Wie bereits offenbart, können statische und komplexwertige sinc(y)-Funktionen, sinc(x, y)-Funktionen oder Bessel-Funktionen, z. B. kombiniert mit Gauß-Funktionen, verwendet werden, um die beabsichtigte Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu erhalten. Es können linsenartige Phasenterme in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle verwendet werden, um diese Verteilung zu der SLM-Ebene zu verschieben. Auch können zusätzliche Amplitudenterme, wie z. B. Gauß oder Gauß(x, y)^N, N = 1, 2, ... (z. B. eine positive ganze Zahl), in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle in der räumlich inkohärenten Richtung verwendet werden, um die Nebenmaxima in dem durch die ausgedehnte Lichtquelle erzeugten Beugungsmuster zu unterdrücken, d. h., um die Nebenmaxima der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu unterdrücken. Außerdem kann die Amplitude des in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle entlang der kohärenten Richtung, die z. B. bereits ein sinc-artiges Amplitudenprofil oder eine sinc-artige Amplitudenverteilung vorsieht, vorhandenen komplexen Werts mit einem zusätzlichen Amplitudenprofil oder einer zusätzlichen Amplitudenverteilung, wie z. B. einem Gauß^N-Profil (das auch als Super-Gauß bezeichnet wird) für N ≥ 2, überlagert werden.
Die Lehre dieser Offenbarung enthält auch eine zusätzliche Art und Weise, um die erforderliche Zielverteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu erhalten. Gemäß diesem ist es auch möglich, die Zielverteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades als den Anfangspunkt zu verwenden und die Verteilung der komplexen Amplitude der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquellenebene z. B. unter Verwendung einer inversen Fourier-Transformation zu berechnen.
Dies kann auch in einer iterativen Weise ausgeführt werden. Somit ist es auch möglich, den iterativen Fourier-Transformations-Algorithmus (IFTA) zu verwenden, um die Verteilung der komplexen Amplitude der ausgedehnten Lichtquellenebene zu erhalten.
Der zusätzliche Linsenterm, der in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle gefordert ist, muss schließlich berücksichtigt werden, obwohl eine Fourier-Transformation als Startpunkt einer Optimierung verwendet werden könnte. Es ist jedoch auch möglich, direkt in der SLM-Ebene zu starten und die Wellenausbreitungsverfahren rückwärts zu verwenden, um die komplexwertige Verteilung der ausgedehnten Lichtquelle zu erhalten, die innerhalb der diskreten Ausführungsform eines Displays erforderlich ist.
Eine Hauptvorgehensweise kann sein, eine kleinste Anzahl möglicher optischer Elemente zu verwenden. Somit können die Funktionalitäten verschiedener optischer Elemente kombiniert werden, wenn dies möglich und geeignet ist.
Im Allgemeinen ist das Formen der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades als eine Flat-Top-Verteilung bevorzugt. Alternativ geformte Verteilungen, z. B. gaußförmige Verteilungen oder Kaiser-Bessel-Fenster-förmige Verteilungen der räumlichen Kohärenz sind jedoch auch mögliche Kandidaten für die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |. Auch könnte eine sinc-funktionsartige Kohärenzverteilung mit phasenverschobenen Nebenmaxima verwendet werden, wenn sie während der Kodierungsoperation berücksichtigt wird.
Im Folgenden werden weitere beispielhafte Ausführungsformen im Detail beschrieben, die eine zugeschnittene Kohärenz für 1D- und 2D-kodierte Hologramme vorsehen. Die Ausbreitungsentfernung von der betrachteten Lichtquellenebene könnte sich für verschiedene Positionen innerhalb der SLM-Ebene unterscheiden. Dies ist z. B. der Fall, wenn eine keilförmige Hintergrundbeleuchtungseinheit verwendet wird. Die mit der erforderlichen Zielverteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorzusehende Ebene ist die Ebene des SLM. Die Ausbreitungsentfernung von der Kollimationseinheit bis zum SLM könnte sich Somit für verschiedene Segmente der SLM-Ebene unterscheiden. Die Präparation und die Erzeugung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | sollte diese verschiedenen Ausbreitungsentfernungen berücksichtigen.
Arbeiten mit einer festen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |:
Es können mehrere Ansätze verwendet werden. Ein Ansatz kann sein, mit einer Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu arbeiten, die z. B. für die Mitte des Bereichs des SLM optimal ist, die aber in anderen Bereichen des SLM ein klein wenig kleiner oder größer ist. Dies bedeutet, dass ein praktischer Kompromiss verwendet werden sollte, der angemessen nah beim Optimum liegt.
Das Arbeiten mit einer festen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, das innerhalb einer Mitte des Bereichs des SLM optimal sein könnte, sollte einen geringen technischen Aufwand erfordern. Es ist jedoch wesentlich, anzugeben, dass die geänderte Ausbreitungsentfernung die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades ändern wird. Die optimale Ausgestaltung kann gewählt werden, dass eine feste Ausführungsform realisiert wird, die eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorsieht, die der optimale Durchschnitt innerhalb der Ebene des zu beleuchtenden SLM sein könnte.
Anordnungen mit geringer numerischer Apertur:
Die Verwendung einer geringen numerischen Apertur macht es möglich, eine große Tiefenschärfe zu realisieren, die für die Ausbreitung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ (x,y,z)| innerhalb des optischen Systems der holographischen Anzeigevorrichtung angewendet werden kann. Dies bedeutet, dass eine lange Brennweite f_CL der Kollimationseinheit, die die Lichtquelle kollimiert, verwendet werden kann. Für eine Anzeigevorrichtung könnte z. B. eine Brennweite der Kollimationseinheit von f_CL = 250 mm zu f_CL = 500 mm oder sogar zu einem größeren Wert der Brennweite geändert werden, der z. B. f_CL = 750 mm sein könnte.
Beispielhaft ist, wenn ein fester Durchmesser der Kollimationseinheit von D_CL angenommen wird, die numerische Apertur der Kollimationseinheit NA_CL = sin(arctan D_CL /(2 * f_CL )). Für einen Durchmesser D_CL = 50 mm und eine Brennweite f_CL = 500 mm ist die numerische Apertur NA_CL = 0,05. Und wenn die Brennweite von f_CL = 500 mm zu f_CL = 250 mm geändert wird, ist die numerische Apertur NA_CL = 0,1. Im Fall der Verwendung lediglich kleiner Aperturwinkel bedeutet die Verdopplung der Brennweite der Kollimationseinheit die Halbierung der numerischen Apertur. Die numerische Apertur ist NA = sin(u/2). Die F_CL -Zahl wird erhalten, wenn die Brennweite f_CL der Kollimationseinheit durch ihren Durchmesser D_CL geteilt wird.
Wenn F_CL = 10 zu F_CL = 5 geändert wird, wird die numerische Apertur NA_CL = 0,05 zu NA_CL = 0,1 geändert.
Somit ist die Tiefenschärfe (DOF) zum Quadrat der numerischen Apertur proportional, d. h., DOF ∼ NA². In diesem Beispiel bedeutet das Halbieren der numerischen Apertur die Zunahme der Tiefenschärfe um einen Faktor vier.
Der Punkt 1) Arbeiten mit einer festen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | kann mit dem Punkt 2) Anordnungen mit geringer numerischer Apertur kombiniert werden, um ein Wellenfeld mit einer angemessenen konstanten komplexwertigen Verteilung, die entlang einer praktischen Ausbreitungslänge z aufrechterhalten werden kann, vorzusehen.
Erhöhung der Tiefenschärfe unter Verwendung von Brennpunktabtastverfahren:
Eine weitere Option zum Vorsehen einer zugeschnittenen Kohärenz für 1D- und 2D-kodierte Hologramme ist die Erhöhung der Tiefenschärfe (DOF) der Kollimationseinheit oder im Detail die Erhöhung der Tiefenschärfe hinter der Kollimationseinheit unter Verwendung von Brennpunktabtastverfahren. Es kann z. B. eine Phasenabtastanordnung als ein Phasenkorrekturprofil einer Kollimationseinheit vorgesehen werden, um die Tiefenschärfe zu erhöhen.
Dies bedeutet, dass ein Phasenkorrekturprofil zu der Funktion der Kollimationseinheit hinzugefügt wird. Für einen derartigen Zweck und als ein Beispiel weist das Phasenkorrekturprofil drei Segmente mit einer konstanten Phasenverteilung auf. Dies bedeutet, dass diese Segmente den Brennpunkt der anfänglichen Kollimationseinheit nicht ändern. Drei zusätzliche Segmente fügen eine weitere positive Brennweite hinzu, während drei Segmente eine weitere negative Brennweite hinzufügen. Somit sind zusätzlich neun Segmente (3 × 3 = 9) implementiert. Im Ergebnis kann die Tiefenschärfe der Kollimationseinheit, die das zusätzliche Phasenkorrekturprofil trägt, vergrößert werden. Als eine Nebenwirkung des segmentierten Phasenkorrekturprofils sind einige Spitzen in der Punktspreizfunktion, die innerhalb des Brennpunktbereichs der kombinierten Linse vorliegt, die zur Kollimation und der erwähnten Phasenkorrektur verwendet wird, vorhanden. Ein segmentiertes Profil kann geändert werden, um eine kontinuierliche Verteilung des Korrekturprofils zu erhalten. Es ist auch möglich, eine kubische Oberfläche oder ein kubisches Phasenprofil als ein Korrekturprofil zu verwenden, das die vergrößerte Tiefenschärfe vorsieht.
Eine Optimierung der komplexwertigen Verteilung der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle kann in einer Weise durchgeführt werden, die das verwendete diskrete Brennpunktabtastverfahren berücksichtigt. Somit kann die Lichtquellenebene hinsichtlich der Ebene der Kollimationseinheit optimiert werden, um die optimale Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | innerhalb der Ebene des SLM vorzusehen. Die Korrekturprofile, die verwendet werden, um die optischen Wegunterschiede von der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle bis zum SLM zu kompensieren, könnten vorzugsweise in der Ebene der Kollimationseinheit hinzugefügt werden. Zusätzlich könnte aber eine weitere geringfügige Phasenkorrektur nah bei der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt werden.
Es gibt eine Vielzahl von weiteren Phasenabtastausführungsformen. Eine weitere Option kann z. B. die Verwendung einer zweidimensionalen Barker-Code-artigen Abtastung eines Phasenkorrekturprofils, vorzugsweise einer zweidimensionalen Barker-Code-artigen Rotationsabtastung eines Phasenkorrekturprofils oder einer zweidimensionalen x-y-symmetrischen Barker-Code-artigen Abtastung eines Phasenkorrekturprofils, in der Kollimationseinheit sein. Ein derartiges zweidimensionales Barker-Phasenwert-Zuweisungsmuster kann ein binäres Muster für zwei verschachtelte Phasenverteilungen sein. Das zweidimensionale Barker-Phasenwert-Zuweisungsmuster kann auch eine höhere Bittiefe aufweisen, die z. B. die räumliche Abtastung von z. B. drei oder fünf verschiedenen Phasenkorrekturprofilen erlaubt.
Anstelle der Verwendung einer kuchenstückartigen räumlichen Abtastung des Phasenkorrekturprofils oder einer zweidimensionalen Barker-Code-artigen räumlichen Abtastung des zu der Phasenfunktion der primären Kollimationseinheit hinzugefügten Phasenkorrekturprofils ist es auch möglich, ein Voronoi-Diagramm zu verwenden. Ein derartiges Voronoi-Diagramm weist randomisierte zweidimensionale Segmente auf. Diese Segmente können verschiedenen Phasenkorrekturprofilen zugewiesen werden.
Einfachere Abtastzuweisungsprofile sind z. B. die Verwendung einer gestreiften ineinander geschachtelten Phasenkorrekturfunktionalität oder die Verwendung eines schachbrettartigen Zuweisungsprofils.
In Abhängigkeit von dem verwendeten diskreten räumlichen Abtastverfahren könnten verschiedene Artefakte erzeugt werden, die hinsichtlich des Einflusses auf die vorgesehene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, die in der SLM-Ebene liegt, berücksichtigt werden sollten. Somit kann die diskrete Ausführungsform das beste zu verwendende Abtastverfahren in einem speziellen und einzelnen Fall definieren.
Im Allgemeinen wird das Verringern der seitlichen Ausdehnung der Abtastzonen einen Übergang zu dem beugungsdominierten Regime. Dies gilt für alle räumlichen Abtastverfahren.
Es können alle Abtastanordnungen oder Abtastzuweisungsprofile verwendet werden, um sich mit der Abtastung von refraktiven oder diffraktiven Phasenkorrekturprofilen zu befassen.
Erhöhung der Tiefenschärfe unter Verwendung von diffraktiven Brennpunktabtastverfahren:
Phasenkorrekturprofile, die zu der Phasenfunktion einer Kollimationseinheit hinzugefügt werden können, um die vorgesehene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | entlang einer vergrößerten Lichtausbreitungslänge vorzusehen, können auch unter Verwendung von diffraktiven Strukturen implementiert werden. Dies bedeutet, dass z. B. diffraktive Linsenfunktionen zu der primären Funktion der Kollimationseinheit hinzugefügt sein können.
Obwohl diffraktive Funktionen räumlich abgetastet werden könnten, ist dies jedoch nicht absolut notwendig. Die diffraktiven Funktionen können auch als eine Überlagerung von mehreren diffraktiven Strukturen verwendet werden, die z. B. die gesamte Austrittsapertur der Kollimationseinheit abdecken. Es ist z. B. möglich, eine Eintrittsebene der Kollimationseinheit zu verwenden und die Überlagerung von zwei diffraktiven Korrektur-Linsenfunktionen innerhalb dieser Ebene anzuordnen. Dies kann innerhalb einer Ebene ausgeführt werden, ohne die räumlich getrennte Abtastung der diffraktiven Phasenkorrekturprofile zu verwenden. Dies bedeutet, dass die beiden Phasenkorrekturprofile in einem Modulo-2π-Schema hinzugefügt werden können.
Beispielhaft wird angenommen, dass eine Kollimationseinheit die Hauptlast hinsichtlich der Wellenfront-Umformung trägt, die als Kollimation bezeichnet wird. Zum Beschreiben eines einfachen Aufbaus werden drei getrennte Kanäle angenommen, die die Lichtwege der drei Primärfarben aufweisen. Die Kollimationseinheit erzeugt ein kollimiertes Wellenfeld, das durch ein Planwellenspektrum beschrieben werden kann. Nun kann eine einfache diffraktive Fresnel-artige Oberflächenrelief-Linsenfunktion zu der Funktion der Kollimationseinheit hinzugefügt werden. Diese diffraktive Fresnel-artige Oberflächenrelief-Linsenfunktion könnte eine Brennweite von z. B. f_C1 = 1 m aufweisen. Wenn sich ein lokales Seitenverhältnis nah bei AR ≅ 0,5 befindet, mit anderen Worten, Rillen und Ränder oder „Linien und Zwischenräume“ weisen die gleiche seitliche Ausdehnung auf, ist die Ätztiefe der binären Phasenstruktur folgende: $d_{etch} = λ / (2 \times (n - 1)),$
wobei λ die Wellenlänge und n der Brechungsindex des Materials ist, in das die Beugungsstruktur geätzt ist, die z. B. eine Fresnel-Linse sein kann, wobei sich für diese Wellenlänge die Beugungseffizienz in ihrem Maximum befindet. Es könnte bevorzugt sein, eine Beugungseffizienz von z. B. nur η = 0,3 zu implementieren. Somit kann die Ätztiefe der diffraktiven Fresnel-artigen Oberflächenrelief-Linsenfunktion verringert werden. Oder es muss das Seitenverhältnis für die diffraktive binäre Fresnel-Linse geändert werden, die korrekterweise als eine Fresnel-Zonenplatte bezeichnet wird, die sich von der Fresnel-Linse mit ebenfalls einer radialen zonenartigen Struktur, aber einem Gradientenprofil anstelle eines binären Profils unterscheidet.
Zu der Kollimationseinheit kann eine zweite binäre diffraktive Fresnel-Zonenplatten-artige Oberflächenrelief-Linsenfunktion hinzugefügt werden. Eine derartige diffraktive Linsenfunktion könnte eine Brennweite von z. B. f_C2 = -1 m aufweisen. Es könnte eine verringerte Ätztiefe verwendet werden, um eine Beugungseffizienz von z. B. nur η = 0,3 zu realisieren. Oder es kann eine π-Verschiebung verwendet werden, die eine Ätztiefe, siehe Gleichung (1), und eine Änderung des Seitenverhältnisses von AR ≅ 0,5 zu einem anderen Wert realisiert. Diese zweite diffraktive Phasenverteilung kann in einem Modulo-2π-Schema zu der ersten diffraktive Phasenverteilung hinzugefügt werden.
Es ist auch möglich, eine achromatische Standard-Kollimationseinheit zu verwenden und eine erste Beugungsstruktur an der Eintrittsfläche der Kollimationseinheit und eine zweite diffraktive Phasenverteilung an der Austrittsfläche der Kollimationseinheit hinzuzufügen. Dies führt zu einer erhöhten Designfreiheit und -komplexität.
Weiterhin kann bevorzugt sein, eine diffraktive Korrektur innerhalb getrennter Lichtwege der verwendeten verschiedenen Primärfarben RGB zu verwenden. Somit ist es auch möglich, innerhalb der getrennten Lichtwege der verschiedenen Primärfarben RGB nur eine diffraktive Korrektur zu verwenden. Es kann z. B. eine achromatische Kollimationseinheit in dem farbkombinierten Lichtweg verwendet werden, der alle Primärfarben RGB aufweist. Daher könnte die achromatische Kollimationseinheit oder z. B. ein off-axis Parabolspiegel (OAPM), die bzw. der für die Kollimation aller Primärfarben RGB verwendet wird, die Hauptlast der Kollimationsfunktionalität aufweisen, während die Korrektur für die einzelnen Farben separat ausgeführt werden könnte, bevor das Licht auf ein optisches Haupt-Kollimationselement der Kollimationseinheit auftrifft, das z. B. ein Linsenelement oder ein Spiegelelement sein könnte.
Erhöhung der Tiefenschärfe unter Verwendung von Polarisationsabtastverfahren:
Phasenkorrekturprofile, die zu der Phasenfunktion der Kollimationseinheit hinzugefügt werden können, um die vorgesehene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | entlang einer vergrößerten Lichtausbreitungslänge vorzusehen, können auch unter Verwendung verschiedener Polarisationszustände des Lichts implementiert werden. Das Licht kann in zwei orthogonale Polarisationszustände aufgespalten werden. Innerhalb der beiden getrennten Lichtwege können zwei Phasenkorrekturprofile oder -funktionen angewendet werden. Die beiden getrennten Lichtwege können rekombiniert werden, wobei ein Ausgangspolarisationsfilter, der z. B. in 45 Grad zu beiden orthogonalen Polarisationen orientiert ist, einen einzigen Polarisationszustand des Lichts sicherstellen kann. Dieses Licht, das einen einzigen Polarisationszustand aufweist, breitet sich weiter auf seinem Weg zu dem zu beleuchtenden SLM aus.
Kontinuierliche Phasenkorrekturprofile:
Im Allgemeinen können asphärische optische Elemente oder Freiformflächen verwendet werden, um eine erhöhte Tiefenschärfe einer vorgesehenen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorzusehen. Ein direkter Ansatz kann sein, eine Kollimationseinheit vorzusehen, die wenigstens eine Kollimationslinse mit einer ersten Brennweite in ihrer inneren Zone und einer zweiten Brennweite in ihrer äußeren radialen Zone aufweist. Für eine numerische Apertur NA von > 0,2 könnte sogar eine sphärische Linse geeignet sein und könnte mit der klassischen sphärischen Aberration verglichen werden. Somit könnte eine Kollimationslinse auch drei radiale Zonen aufweisen, die verschiedene Brennweiten realisieren. Für das durch die Kollimationslinse oder durch ein separat hinzugefügtes Phasenkorrekturelement realisierte Phasenprofil kann ein kontinuierlicher Übergang verwendet werden. Ein Phasenkorrekturprofil kann unter Verwendung bekannter Optimierungsprozeduren einer optischen Simulationssoftware berechnet werden. Für diesen Zweck sollten Randbedingungen definiert werden, mit anderen Worten, es sollte ein Satz von annehmbaren maximalen Fehlerwerten definiert werden, so dass ein automatisierter Optimierungsprozess gestartet werden kann.
Die Phasenkorrekturfunktionen, die die Invarianzeigenschaft der Punktspreizfunktion (PSF) des optischen Systems gegen eine Änderung der Brennebene erhöhen, z. B. zurückblickend auf die Situation nichtäquivalenter Weglängen von der Austrittspupille der Kollimationseinheit bis zu der SLM-Ebene, könnten eine radialsymmetrische Funktionalität oder sogar eine nicht radialsymmetrische Funktionalität aufweisen.
Ausreichend kleine kubische Phasenkorrekturterme können auch zu der Funktion der Kollimationseinheit hinzugefügt werden. Oder es können z. B. dreifache, vierfache oder mehrfache Phasenverteilungen hinzugefügt werden, die als blattartige Phasenkorrekturprofile bezeichnet werden. Eine kubische Phasenkorrektur ist gegeben durch: $φ_{c} (x, y) = α \times (x^{3} + y^{3})$
könnte eines signifikante asymmetrische Form zu der Punktspreizfunktion hinzufügen. Dies könnte nicht zweckmäßig sein, um die vorgesehene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | entlang einem angemessen langen z-Bereich (z-Richtung) der Tiefenschärfe zu erzeugen. In Gleichung (2) ist der Wert α (alpha) ein Skalierungsfaktor, der für die Anpassung der Defokussierungsinvarianz verwendet wird. Ein vergrößerter Wert von α würde zu einer erhöhten Invarianz hinsichtlich der Defokussierung, d. h., einer größeren Tiefenschärfe, aber auch zu einer verringerten räumlichen Auflösung, die durch die modifizierte Punktspreizfunktion vorgesehen wird, führen.
Obwohl asymmetrisch geformte Punktspreizfunktionen durch das Auslegen der komplexwertigen Verteilung der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquellenebene in Abhängigkeit davon berücksichtigt werden können, mit anderen Worten, durch Berücksichtigen dessen für das Lichtquellendesign, könnten einzelne primäre kubische Phasentherme, siehe z. B. Gleichung (2), durch eine Überlagerung von gegenseitig gedrehter kubischer Terme ersetzt werden, die eine weniger asymmetrische Punktspreizfunktion erzeugen. Es könnten zweifache oder vierfache kubische Phasenkorrekturprofile vorzugsweise verwendet werden, wenn die kodierten Subhologramme eine rechteckige Form aufweisen. Es könnte eine dreifache oder fünffache Symmetrie des Phasenkorrekturprofils für kreisförmige Subhologramme bevorzugt werden. Im Allgemeinen kann eine Vielzahl von Korrekturprofilen verwendet werden, die als ausgedehnte Tiefenschärfen-Korrekturprofile oder eine wellenfrontkodierte Apertur bezeichnet werden könnten.
Kombination von einer Phasentermkorrektur mit Abtasten:
Eine weitere Ansatzweise, um die vorgesehene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | innerhalb der gesamten SLM-Ebene vorzusehen, kann die Erzeugung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, kombiniert mit einer dynamischen zeitsequentiellen Adaptivität sein. Im Fall des Vorsehens einer Beleuchtungsvorrichtung unter Verwendung des Abtastens kann eine Brennpunktänderung, die die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | longitudinal, d. h., entlang der Ausbreitungsentfernung des den SLM beleuchtenden Lichts, verschiebt, implementiert werden, die mit der Abtastbeleuchtung synchronisiert ist. Somit kann das optimale Defokussierungskorrektur-Phasenprofil zu dem beleuchteten SLM-Segment hinzugefügt werden. Dies wird in der Kollimationseinheit oder vor der Kollimationseinheit, d. h., z. B. in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle, durchgeführt. Die Tiefenschärfe, die sich über eine kurze (aber feste) Zeit erstrecken sollte, ist im Vergleich zu den Nichtabtast-Beleuchtungsansätzen verringert. Dieser Ansatz ist in 25 gezeigt. Hier ist eine dynamische Änderung der Krümmung der Wellenfelder implementiert. Wenn eine ausreichend schnelle Abtastbeleuchtung für den SLM verwendet wird, kann eine dynamische Änderung der Krümmung des Wellenfeldes realisiert werden, die mit der Abtasteinrichtung synchronisiert ist. Somit befindet sich ungeachtet der verschiedenen optischen Weglängen die gewünschte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | innerhalb der SLM-Ebene.
Eine einfache Implementierung einer Brennpunktänderung könnte unter Verwendung einer Linse mit einem schnell variablen Brennpunkt oder einem deformierbaren Spiegelelement vorgesehen werden. Die Linse mit variablem Brennpunkt oder der deformierbare Spiegel sehen eine zeitliche Phasenkorrektur vor, die ein sphärischer Defokussierungsterm sein könnte. Diese zeitliche Phasenkorrektur sollte innerhalb eines Bildes der SLM-Beleuchtung, mit anderen Worten, z. B. innerhalb nur einiger Millisekunden, z. B. innerhalb 10 ms, durchgeführt werden.
Es können auch zwei gekreuzte oder mehrere gegenseitig gedrehte aktive Flüssigkristall(LC)-Gitter oder LC-Polarisationsgitter verwendet werden, um einen ausreichend schnellen Defokussierungsterm vorzusehen, der die Ebene der vorgesehenen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | mit der Zeit entlang der z-Richtung verschiebt.
Die abtastende Beleuchtung, die mit einer Längsverschiebung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | synchronisiert ist, kann auch in einer parallelen Weise implementiert werden, d. h., mehrere räumlich getrennte Beleuchtungszonen auf einmal zu verwenden. Die Beleuchtungszonen könnten signifikant größer als die Ausdehnung des größten verwendeten Subhologramms sein. Weiterhin ist es bevorzugt, einen glatten Übergang zwischen dem Zustand „keine Beleuchtung“ und dem Zustand der „Beleuchtung mit dem maximalen Intensitätswert“ zu verwenden. Der Beleuchtungsweg mit einem maximalen Intensitätswert kann eine Ausdehnung von vorzugsweise mehr als 3 mm aufweisen.
23 zeigt eine Kollimationseinheit CL und die Implementierung einer abtastenden Beleuchtung vor einer keilförmigen Beleuchtungseinheit BU. Sowohl die Kollimationseinheit CL als auch die keilförmige Beleuchtungseinheit BU sind Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung.
Somit zeigt 23 die Implementierung einer abtastenden Beleuchtung, hier unter Verwendung einer Hintergrundbeleuchtungseinheit, einer SLM-Ebene, die mit einer vorgesehenen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | beleuchtet werden muss, um eine hohe Rekonstruktionsqualität zu erreichen. Zum Beleuchten eines SLM mit der vorgesehenen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | sind Beleuchtungssegmente IS_N , hier zwei Beleuchtungssegmente IS1 und IS2, vorgesehen, die entlang einer Eintrittsebene des zu beleuchtenden SLM zeitsequentiell abgetastet werden. Die Beleuchtungseinheit BU weist zwei Volumengitter VG1 und VG2, z. B. zwei auf Bragg-Beugung basierende Volumengitter, auf. Die Volumengitter VG1 und VG2 sehen eine 2-malige anamorphotische 10X-Strahldehnung eines Wellenfeldes vor, das hinter der Kollimationseinheit CL, gesehen in Lichtausbreitungsrichtung, vorliegt. Zwei Strahlen oder Wellenfelder B1 und B2, die anfangs durch eine ausgedehnte Lichtquelle, die kollimiert wurde und nicht gezeigt ist, emittiert werden könnten, werden durch eine Abtasteinheit SM reflektiert und in Richtung der Kollimationseinheit CL gerichtet. Die Abtasteinheit SM kann als ein Abtastspiegelelement SM, vorzugsweise ein zweidimensionales Abtastspiegelelement, ausgebildet sein. Die beiden Wellenfelder B1 und B2 sind beispielhaft zwei Wellenfelder, die sich auf die Abtasteinheit SM ausbreiten, die hier als ein zweidimensionaler Abtastspiegel ausgebildet ist. Selbstverständlich ist es möglich, weitere Beleuchtungssegmente IS_N vorzusehen. Dies bedeutet, dass gemäß der Anzahl der Beleuchtungssegmente IS_N die gleiche Anzahl an Wellenfeldern B_N vorgesehen wird, um die Beleuchtungssegmente IS_N zu erzeugen. Für jedes Wellensegment, hier z. B. für B1 und B2, kann ein dynamischer sphärischer Phasenterm hinzugefügt werden. Die Wellenfelder B1 und B2 werden gedehnt und umgelenkt, um die Beleuchtungssegmente IS_N zu bilden, die in der Eintrittsebene des SLM weiter entlang dem Lichtweg vorhanden sind.
Der dynamische sphärische Phasenterm sieht die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Kollimationseinheit CL und der Position einer Eintrittsebene des zu beleuchtenden SLM vor. Dies bedeutet, dass eine Optik mit variablem Brennpunkt zu der Beleuchtungsvorrichtung hinzugefügt werden kann. Eine derartige Optik mit variablem Brennpunkt kann vor den gezeigten Strahlen oder Wellenfeldern B1 und B2, d. h., z. B. bei einer nicht gezeigten Kollimationseinheit, die eine nicht gezeigte ausgedehnte Lichtquelle kollimiert, vorgesehen werden.
In 24 ist der lokale Unterschied der optischen Weglänge, die zwischen der Kollimationseinheit CL, die in einer Eintrittsebene der keilförmigen Beleuchtungseinheit BU angeordnet ist, wie in 23 gezeigt ist, und dem zu beleuchtenden SLM vorhanden ist, dargestellt. Mit anderen Worten, 24 veranschaulicht den Unterschied der optischen Weglänge, der durch die Verwendung der keilförmigen Beleuchtungseinheit BU eingeführt wird, die ein anfängliches Wellenfeld, das in die Beleuchtungseinheit BU eintritt, vergrößert. Der Unterschied der optischen Weglänge existiert zwischen einem in die keilförmige Beleuchtungseinheit BU eintretenden Wellenfeld und einem resultierenden vergrößerten Wellenfeld, das in einer Austrittsebene der Beleuchtungseinheit BU liegt. Wie gesehen werden kann, weist die untere linke Ecke des Austrittswellenfeldes sWF die kürzeste Ausbreitungslänge auf, während die obere rechte Ecke des Austrittswellenfeldes sWF infolge des Ausbreitungszeitraums des Lichts innerhalb des Keils, der die Volumengitter VG1 und VG2 aufweist, die längste Ausbreitungslänge aufweist. Nach dem Eintritt des Lichts in den Keil befindet sich die erste Lichtausgabe in der unteren linken Ecke des Keils, wie in 24 gezeigt ist. Somit weist diese von dieser Position in dem Keil emittierte Lichtwelle die kürzeste Ausbreitungslänge auf. Das Licht breitet sich weiter innerhalb des Keils aus, so dass sich die letzte Lichtausgabe in der oberen rechten Ecke des Keils befindet. Somit weist diese von dieser Position in dem Keil emittierte Lichtwelle die längste Ausbreitungslänge auf. Deshalb weist das durch die Beleuchtungseinheit BU erzeugte gesamte Wellenfeld sWF Lichtwellen mit unterschiedlichen optischen Weglängen auf. Dies ist ein Problem, das durch 25 behandelt wird, d. h., wenn die in den 23 oder 24 gezeigte Anordnung mit der in 25 gezeigten Anordnung kombiniert wird.
25 zeigt eine Einrichtung, die eine schnelle dynamische Änderung einer Krümmung einer Wellenfront vorsehen kann. Eine derartige Einrichtung kann in einer abtastenden Beleuchtungseinheit verwendet werden, wie sie z. B. in den 23 und 24 gezeigt ist, um die lokalen Unterschiede in der optischen Weglänge, die sich zu dem SLM ausbreitet, zu kompensieren. Es kann bevorzugt sein, eine derartige Einrichtung vorteilhaft in einer keilförmigen Beleuchtungseinheit zu verwenden. Somit ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Einrichtung gezeigt, die eine zeitliche Defokussierung oder eine Wellenfrontkrümmung vorsieht, die als ein zeitliches Phasenkorrekturprofil, auf Anforderung unter Verwendung einer zeitabhängigen Längsbewegung Δz(t) eines kleinen Spiegelelements M wirkt. Das kleine Spiegelelement M kann nah bei einer Brennebene eines Fokussierungselements FE, hier einer Fokussierungslinse, angeordnet sein. Die Translation des kleinen Spiegelelements M wird durch eine Translationseinheit eingeführt. Die Translationseinheit könnte z. B. ein Piezo-Translationselement (PZT) oder eine Schwingspule (VC) sein. Im Lichtweg zwischen einer Lichtquelle LS und dem Spiegelelement M ist ein Polarisationsstrahlteiler PBS vorgesehen. Zwischen dem Polarisationsstrahlteiler PBS und dem Spiegelelement M ist eine λ/4-Platte (auch als QWP bezeichnet) angeordnet. Der Polarisationsstrahlteiler PBS und die λ/4-Platte sind in einer derartigen Weise kombiniert, dass eine geforderte Trennung des Lichtwegs vorgesehen werden kann. In Betrieb ist das von der Lichtquelle LS emittierte Licht TE-polarisiert (transversal elektrisch polarisiert) und fällt auf ein Kollimationselement CE und dann auf den Polarisationsstrahlteiler PBS. Der Polarisationsstrahlteiler reflektiert und leitet das Licht in Richtung der λ/4-Platte. Nach dem Hindurchtreten durch die λ/4-Platte tritt das Licht durch das Fokussierungselement FE hindurch und fällt auf das Spiegelelement M. Das Licht wird durch das Spiegelelement M reflektiert und passiert abermals das Fokussierungselement FE, die λ/4-Platte und den Polarisationsstrahlteiler. Das Licht, das den Polarisationsstrahlteiler PBS verlässt, ist TM-polarisiert (transversal magnetisch polarisiert) und breitet sich in Richtung des SLM aus. Es ist bevorzugt, diese dynamische Defokussierungseinheit vor der Hintergrundbeleuchtungseinheit, d. h., bei einem Abschnitt des Lichtwegs, der kleine Strahldurchmesser aufweist, vorzusehen.
Eine sphärische Wellenfrontkorrektur oder Defokussierung kann im kHz-Bereich vorgesehen sein. Das kleine Spiegelelement M, das in einer Mitte der Schwingspulen angebracht ist, kann z. B. bei Frequenzen größer als 20 kHz geringfügig schwingen. Die Einrichtung, die in 25 gezeigt ist, ist ein Beispiel, das zeigt, dass eine Wellenfrontenkrümmung (die in 25 als Wellenfront: w(t) bezeichnet ist) bei Bedarf und in einer schnellen Weise erzeugt werden kann.
Es gibt eine Vielzahl von optionalen Ausführungsformen, die verwendet werden können, um den Unterschied innerhalb der Ausbreitungsentfernung des Lichts von der Kollimationseinheit bis zum SLM zu berücksichtigen, um eine optimale Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | in der Eintrittsebene des beleuchteten SLM vorzusehen.
Alle offenbarten allgemeinen Ansätze und Ausführungsformen könnten miteinander kombiniert werden, um eine zugeschnittene Lösung für eine spezielle Ausführungsform unabhängig von der Tatsache, ob z. B. eine abtastende Beleuchtung verwendet wird oder nicht, zu erhalten.
Weitere Erklärungen der vorliegenden Erfindung:
Wie bereits offenbart, basiert eine Lösung zum Zuschneiden der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | des Lichts, das einen komplexwertigen SLM beleuchtet, auf einem seitlichen Strahl, der zwei Phasenpixel des SLM kombiniert. Für diesen Zweck ist die Verwendung einer dynamischen Phasenrandomisierungsebene in Kombination mit der Verwendung einer optimierten Amplitudenverteilung einer zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquellenebene und in Kombination mit der Verwendung einer optimierten Phasenverteilung der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquellenebene vorgesehen. Somit weisen nur die Segmente des Wellenfeldes, die miteinander kombiniert werden müssen, um ein komplexwertiges Pixel zu erzeugen, einen hohen Kohärenzgrad und daher eine hohe Sichtbarkeit auf. Eine derartige Ausführungsform kann für einen konvexwertigen SLM verwendet werden, der auf seitliche Strahlkombinierung, von z. B. zwei benachbarten Phasenpixeln, basiert. Dies ist eine sehr spezifische Ausführungsform. Es kann zwischen der Kombination von zwei benachbarten Phasenpixeln, die einen komplexwertigen Pixel im Fernfeld erzeugen sollen, und den gesamten Bereich eines großen Subhologramms, das komplexwertige Pixel enthält, die alle kohärent überlagert werden müssen, unterschieden werden.
Wenn z. B. eine VPO-1 D-Kodierung vorliegt und zwei benachbarte Phasenpixelspalten kombiniert werden, um einen spaltenartigen komplexwertigen Pixel zu bilden, muss die horizontale Breite der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | so groß wie die beiden zu kombinierenden Phasenspalten sein, während die vertikale Ausdehnung so groß wie das größte eindimensionale Subhologramm ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine bevorzugte Ausdehnung des Kohärenzbereichs.
Die Eintrittspupille des menschlichen Auges definiert die numerische Apertur des optischen Systems, das die Objektpunkte im Raum auf die Netzhaut des menschlichen Auges abbildet. Und wie bereits beschrieben, kann es vorteilhaft sein, die Größe der zu kodierenden Subhologramme durch die Projektion der Eintrittspupille durch einen Objektpunkt auf den SLM zu definieren. Es sollte betont werden, dass ein Subhologramm irgendeine Größe und irgendeine Form aufweisen kann. Mit anderen Worten, die Größe und die Form eines Subhologramms hängen nicht von der Größe und der Form der Eintrittspupille des Auges ab. Unter Verwendung eines zusätzlichen dynamischen variablen und adressierbaren Raums auf dem SLM nah bei der einfachen geometrischen Projektionsfläche, um ein Subhologramm zu beschreiben, kann die Erfassungszone des auf einen Objektpunkt zu fokussierenden Lichts geändert werden. Es sollte ferner betont werden, dass diese zusätzliche Varianz der geometrischen Form der Subhologramme in eine signifikant vergrößerte Bittiefe der im Raum rekonstruierten Objektpunkte übertragen werden kann. Dies bedeutet auch, dass ein vergrößertes Subhologramm verwendet werden könnte, um die Helligkeit eines Objektpunkts zu erhöhen. Wie bereits erklärt, ist eine Randbedingung, dass die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | an die Größe und die Form des größten verwendeten Subhologramms angepasst werden muss.
Zusätzlich zu der Option des signifikanten Vergrößerns der Bittiefe der im Raum rekonstruierten Punkte führt die Korrektur der verwendeten geometrischen Projektion des Betrachterfensters auf den SLM zu einem signifikant geringeren Rechenaufwand. Mit anderen Worten, die Definition der Subhologrammgröße unter Verwendung der geometrischen Projektion des Betrachterfensters auf den SLM wird nicht gefordert und könnte viel mehr komplexwertige SLM-Pixel als notwendig in Anspruch nehmen.
Beispielsweise ist bei einer Leuchtdichte von 100 cd/m² der durchschnittliche Durchmesser der Eintrittspupille des menschlichen Auges etwa 2,9 mm. Die gegenwärtigen 2D-Anzeigeeinrichtungen, wie z. B. Desktop-Monitore oder Fernsehanzeigeeinrichtungen, erlauben die Erzeugung einer Leuchtdichte von (300 bis 500) cd/m². Diese Eintrittspupille des menschlichen Auges verwendet eine Fläche von 6,6 mm². Ein Betrachterfenster in einer Betrachterebene, durch das ein Betrachter eine rekonstruierte vorzugsweise dreidimensionale Szene oder ein rekonstruiertes vorzugsweise dreidimensionales Objekt beobachten kann mit einer Größe von z. B. 10 mm mal 10 mm, verwendet eine Fläche von 100 mm², was ein Faktor von 15 im Vergleich zu der Eintrittspupille bei einer Leuchtdichte von 100 cd/m² ist.
Das Begrenzen der Subhologrammgröße auf die geometrisch projizierte Eintrittspupille anstatt auf das Betrachterfenster würde die für die Subhologramme vorgesehene Fläche um einen Faktor 15 verringern. Dies ist ein wesentlicher Unterschied hinsichtlich der erforderlichen Rechenleistung und der erhaltenen Bildaktualisierungsgeschwindigkeit.
Wichtig ist die Berücksichtigung der Augenbewegung, der geometrischen Trackinggenauigkeit während der Verfolgung des Auges, die durch einen auf die Kameradaten (Bilder) angewendeten Triangulationsalgorithmus vorgesehen wird, und die zeitliche Unbestimmtheit, d. h., der Aktualisierungszeitraum einer Verfolgungseinheit, der auch die Reaktion der aktiven in-plane LC-Polarisationsgitter, die innerhalb der Anzeigeeinrichtung zum Vorsehen eines Feintrackings verwendet werden. Somit könnte auf Wunsch ein Millimeter zu dem Wert von 2,9 mm zur Kompensation hinzugefügt werden. Mit anderen Worten und z. B. kann ein Durchmesser von etwa 3,9 mm in der Mitte des Betrachterfensters als eine kreisförmige Bezugsfläche verwendet werden, die auf den SLM zu projizieren ist. Somit sind die kreisförmigen Subhologramme definiert. Dies führt zu einer Fläche in der Mitte des Betrachterfensters von 11,9 mm². Dies führt wieder zu einer ausreichend großen Fläche innerhalb des Betrachterfensters und zu einem großen Faktor im Vergleich zu der gesamten Fläche des Betrachterfensters, um eine rekonstruierte Szene ohne irgendeine Schwierigkeit zu beobachten. Dieser große Faktor, der verwendet werden kann, um eine 2D-kodierte Echtzeitberechnung der Subhologramme zu ermöglichen, ist wichtig. Zu der Subhologrammfläche, die durch die Projektion der Eintrittspupille auf den SLM definiert ist, wird ein kleiner zusätzlicher Bereich hinzugefügt. Der Einfachheit halber ist die geometrische Projektion von der Eintrittspupille auf den SLM eine kreisförmige Fläche, die auch einen Durchmesser von 2,9 mm aufweist, wenn der Durchmesser der Eintrittspupille des menschlichen Auges z. B. als 2,9mm angenommen wird und ein realer Objektpunkt vor der Anzeigeeinrichtung bei 50 % des Abstands von der Anzeigeeinrichtung bis zum Betrachter erzeugt wird. Die Ergänzung eines zusätzlichen Bereichs bedeutet, dass dieser Durchmesser bis z. B. 3,5 mm vergrößert werden kann. Dies entspricht der Ergänzung eines kleinen zusätzlichen Bereichs zu der Subhologrammfläche, die durch die geometrische Projektion der Eintrittspupille auf den SLM definiert sein kann. Mit anderen Worten, die Fläche des Subhologramms muss nicht der Größe und der Fläche der Eintrittspupille entsprechen. Dies wird in Abhängigkeit von der Unsicherheit der Augenverfolgung durchgeführt, die auch als eine Eintrittspupillenverfolgung bezeichnet wird.
Eine weitere Verbesserung liegt in der Implementierung der Fähigkeit einer dynamischen Änderung der Subhologrammgröße. Dies kann unter Verwendung mehrerer Ansätze durchgeführt werden.
Ein Ansatz kann sein, die ausgegebene durchschnittliche Leuchtdichte oder die durchschnittliche Leuchtdichte, mit der das Auge des Betrachters beleuchtet wird, zu verwenden. Aufgrund der Korrelation können vorhandene Nachschlagtabellendaten verwendet werden. Somit ist es möglich, die Subhologrammgröße weiter zu verringern, wenn Inhalt mit einer hohen Leuchtdichte vorgesehen wird. Bei einer Leuchtdichte von 300 cd/m² weist z. B. die Eintrittspupille einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 2,5 mm auf. Es kann ein Millimeter zu diesem durchschnittlichen Durchmesser hinzugefügt werden, um die Eintrittspupillen-Trackingtoleranzen zu kompensieren. Dies führt zu einem Durchmesser von etwa 3,5 mm und Somit zu einer Fläche von 9,6 mm².
Ein weiterer Ansatz kann sein, die bereits durch die Eintrittspupillenverfolgung erhaltenen Kameradaten zu verwenden. Der Durchmesser der Eintrittspupille kann durch die Eintrittspupillenbilder erhalten werden. Ein derartiger Ansatz ist einfach und schnell. Dies kann auch mit dem Ansatz unter Verwendung der Leuchtdichte, mit der das Auge beleuchtet wird, kombiniert werden.
Ein verbessertes Verfahren zum Kodieren von Subhologrammen ist grundlegend mit dem Ansatz der zugeschnittenen Erzeugung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂| verknüpft:
• Kodierung 1)
Der einfachste Fall kann sein, eine plateauförmige Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu haben, die einen ausreichend konstanten Wert aufweist und die wenigstens so groß wie das größte für die Kodierung verwendete Subhologramm ist, wie z. B. in den 20 bis 22 gesehen werden kann. Das Plateau weist z. B. einen Wert |µ₁₂ |_Plateau ≅ konstant = 0,9 ± 0,045 auf, d. h., einen Durchschnittswert und nur geringe Variationen dieses Durchschnittswerts zu haben, die sich im Bereich von ±5 % befinden können. In diesem Fall kann die Kodierung eines Subhologramms alle komplexen Pixel der zur Kodierung der holographischen dreidimensionalen Szene verwendeten Subhologramme als äquivalent berücksichtigen. Mit anderen Worten, alle komplexwertigen SLM-Pixel weisen ein zugehöriges Gewicht von Eins auf und werden somit alle gleich behandelt. Mit anderen Worten, wenn die Pixel eines Subhologramms einen realen Objektpunkt z. B. bei 1 m vor einer holographischen Anzeigeeinrichtung bilden, kann angenommen werden, dass alle Pixel zu der Erzeugung des Objektpunkts mit dem gleichen Betrag oder mit dem gleichen Gewicht beitragen. Alle Pixel weisen den gleichen Betrag des komplexen Kohärenzgrades auf, der z. B. 0,9 sein kann. Dieser Wert ist somit im Vergleich zum Idealfall von 1,0 ausreichend hoch.
Wie in dem vorherigen Abschnitt beschrieben, kann ein iteratives Optimierungsverfahren verwendet werden, um die optimierte komplexwertige Verteilung der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle zu erhalten. Diese optimierte komplexwertige Verteilung erzeugt exakt die geforderte plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |.
• Kodierung 2)
Ein weiterer Fall kann sein, eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu erzeugen, die einen Teil aufweist, der ein ausreichend konstantes Plateau ist. Wenn die größten Subhologramme in diesen plateauförmigen Abschnitt der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | passen, d. h., dass alle Subhologramme in diese Verteilung passen und das größte Subhologramm für die Kodierung verwendet wird, kann die Kodierung alle komplexen Pixel der Subhologramme, die zur Kodierung der holographischen dreidimensionalen Szene verwendet werden, als äquivalent berücksichtigen. Der Plateauabschnitt könnte z. B. einen Wert von 0,9 aufweisen, der ausreichend sein sollte.
Es ist auch möglich, die sinc-förmige Intensitätsverteilung, die z. B. vertikal orientiert ist, etwas zusammenzudrücken, um die beiden Maximumspitzen dieser Intensitätsverteilung aus der seitlichen Ausdehnung des verwendeten größten Subhologramms zu verschieben. In diesem Fall, in dem die beiden Maximumspitzen außerhalb der Subhologrammgröße angeordnet sind, würden die beiden Maximumspitzen am Rand der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | keine konstant gewichtete Kodierung bewirken.
• Kodierung 3)
Ein weiterer Fall einer verbesserten holographischen Kodierung kann sein, die vorhandene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu berücksichtigen. Dies kann mit irgendeiner Verteilung des Betrags des konvexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | durchgeführt werden, die in der Ebene des SLM vorliegt. Als ein Startpunkt dieses Verfahrens sollte eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | vorgesehen werden, die sich bereits ausreichend nah an der optimalen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades befindet. Somit müssen nur kleine Korrekturen der Gewichte der komplexen Werte der Subhologramme implementiert und durchgeführt werden. Mit anderen Worten, es kann eine ideale Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zur Kodierung eines Hologramms angenommen und verwendet werden. Die tatsächliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | kann sich jedoch von dieser unterscheiden, was z. B. auf die verwendete optische Anordnung und die vorhandenen Aberrationen zurückzuführen sein kann. Diese tatsächliche Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | kann als eine ideale Verteilung beschrieben werden, die durch eine zusätzliche Aberration modifiziert ist und die sich in der Eintrittsebene des beleuchteten SLM unterscheiden kann. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die tatsächliche, lokal etwas variierende Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu betrachten. Auf diese Weise können lokal variierende Korrekturen für die Kodierung verwendet werden. Eine kreisförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | könnte z. B. einen Durchmesser von 3 mm in der Mitte des SLM und z. B. 3,5 mm am Rand des SLM aufweisen. Somit verwendet die Kodierung und die zugehörige optimierte Verringerung des retinalen Übersprechens zwischen Objektpunkten einen 3-mm-Kohärenzbereich in der Mitte des SLM und 3,5 mm am Rand des SLM.
Dies bedeutet z. B. für eine Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, dass für alle Subhologramme, die eine Ausdehnung aufweisen, die in den inneren Plateaubereich passt, keine Änderungen erforderlich sind. Dies bedeutet ferner, dass die gegenseitige Kohärenz aller dieser Pixel eines Subhologramms die gleiche ist. Für alle diese Pixel des Subhologramms kann ein Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ |, z. B. ein Wert von 0,9, angewendet werden. Ein eindimensionales diffraktives Linsensegment, das ein eindimensionales Subhologramm ist, das einen einzigen Objektpunkt bildet, für eine 1D-Kodierung oder ein vorzugsweise kreisförmiges diffraktives Linsensegment, das ein zweidimensionales Subhologramm ist, das einen einzigen Objektpunkt bildet, für eine 2D-Kodierung können das gleiche Gewicht für einen Objektpunkt im Raum und für alle komplexwertigen Pixel innerhalb der Subhologramm-Berechnung der aufweisen, das z. B. auf Eins (1) gesetzt werden kann. Die Wellensegmente oder die Linsensegmente, die sich hinter die einzelnen, z. B. komplexwertigen Pixel ausbreiten, die ein Subhologramm bilden, das einen realen oder imaginären Objektpunkt im Betrachtervolumen einer dreidimensionalen holographischen Anzeigeeinrichtung erzeugt, werden im Fernfeld des Subhologramms addiert. Dies kann durch eine Gleichung beschrieben werden. Diese Gleichung enthält die gegenseitigen Phasenunterschiede, die zwischen den Pixeln und dem Objektpunkt im Fernfeld vorhanden sind, in dem die elektromagnetischen Wellenfeldsegmente aufsummiert werden. Weiterhin enthält diese Gleichung den Amplitudenwert und den Phasenwert jedes Pixels. Und diese Gleichung enthält den Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | (die gegenseitige Sichtbarkeit) der aufsummierten elektromagnetischen Wellenfeldsegmente. Dies bedeutet, dass der Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | als ein Gewichtungsfaktor oder im Detail als eine Verteilung der gegenseitigen Gewichtungsfaktoren wirkt, die die Werte der gegenseitigen Sichtbarkeit sind, die zur Berechnung der retinalen Objektpunkte und zur Berechnung des retinalen Übersprechens zwischen Objektpunkten verwendet werden können. Mit anderen Worten, der Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist ein Basiselement für die Optimierung der retinalen Bildqualität.
Subhologramme mit einer Ausdehnung, die größer als der innere Plateaubereich ist, sollten hinsichtlich des mathematischen Gewichts (des mathematischen Werts der gegenseitigen Sichtbarkeit, der zur Berechnung des schließlich erhaltenen retinalen Bildes verwendet wird), das sich auf jeden komplexwertigen Pixel während der Kodierung des Subhologramms bezieht, geändert werden. Die Kodierung des Subhologramms ist der Prozess der Berechnung des Subhologramms und der innerhalb dieses Prozesses verwendeten entsprechenden Verfahren. In diesem Fall ist die gegenseitige Kohärenz der Pixel, die ein großes Subhologramm bilden, nicht die gleiche. Die auf den äußeren Rand der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | bezogenen Pixel weisen einen Betrag der gegenseitigen Kohärenz von etwa 1 auf, während die inneren Pixel des Subhologramms einen ähnlichen Betrag des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | von z. B. etwa 0,9, aber nicht den gleichen aufweisen.
Die grundlegende physikalische Wirkung einer nicht konstanten Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | ist eine nicht konstante Verteilung der verschiedenen Abschnitte der Subhologramme hinsichtlich der Beugungseffizienz, die lokal innerhalb der diffraktiven Linsenstrukturen, die die Objektpunkte im 3D-Raum bilden, angewendet wird. Ein kreisförmiger Bereich, der eine Linsenfunktion bildet, könnte z. B. mit einer konstanten Intensitätsverteilung beleuchtet werden. Dieser Bereich könnte somit einen Brennpunkt erzeugen, der als ein realer Objektpunkt wirkt. Wenn alle beitragenden Pixel die gleiche gegenseitige Kohärenz aufweisen, weisen sie hinsichtlich der Brennpunktbildung das gleiche mathematische Gewicht auf. Wenn die gegenseitige Kohärenz nicht die gleiche ist, treten mehrere Effekte auf, die von der diskreten Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | abhängig sind. Der Objektpunkt kann verbreitert sein, während die Höhe der Nebenmaxima verringert ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Größe des inneren Bereichs des gebildeten Brennpunkts verringert ist, während die Höhe der Nebenmaxima vergrößert ist. Zusätzlich zu der Änderung der gebildeten Brennpunktverteilung wird ein Intensitätsversatz, der sogenannte DC-Wert, erzeugt, der hinsichtlich des Bildkontrastes, der auf diese Weise verringert wird, nicht vorteilhaft ist. Dies ist ein grundlegender Effekt, der für alle Arten der bild- oder wellenfelderzeugenden Ausführungsformen und Prozesse gilt, die wenigstens teilweise kohärent sind. Somit kann der Effekt der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | auch im Allgemeinen für die Verwendung von computererzeugten Hologrammen (CGH) berücksichtigt werden, z.B. die innerhalb der Strahlformungs- oder Messanwendungen verwendet werden.
Im Detail verwendet die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | höhere Ortsfrequenzen, die den Objektpunkt in einem dreidimensionalen Raum bilden. Dies kann verstanden werden, wenn der Unterschied zwischen einer vollständig kohärenten Modulationsübertragungsfunktion (MTF), einer teilweise kohärenten MTF und einer inkohärenten MTF untersucht wird. Im Vergleich zum inneren Bereich oder Zone des Subhologramms, der die zu einem beugend rekonstruierten Objektpunkt mit einem Betrag der gegenseitigen Kohärenz von z. B. etwa 0,9 beiträgt, tragen die komplexwertigen Pixel des Subhologramms des SLM, die auf den äußeren Rand der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | bezogen sind, zu dem beugend rekonstruierten Objektpunkt mit einem Betrag der gegenseitigen Kohärenz von z. B. nahe 1 bei. Mit anderen Worten, das mathematische Gewicht des Randes der Subhologramme ist erhöht. Dies führt zu einem geringfügig verringerten zentralen Maximum des gebildeten Brennpunkts und zu geringfügig vergrößerten Maximalwerten der Nebenmaxima.
Ein äquivalentes Modell, das verwendet werden könnte, um die resultierende Wirkung von nicht konstanten plateauförmigen Verteilungen des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | zu beschreiben, könnte eine diffraktive Fresnel-Linse oder eine Fresnel-Zonenplatte verwenden. Eine derartige diffraktive Fresnel-Linse oder Fresnel-Zonenplatte kann am Rand eine hohe Beugungseffizienz und innerhalb des inneren Bereichs eine verringerte Beugungseffizienz aufweisen. Diese diffraktive Fresnel-Linse oder Fresnel-Zonenplatte kann mit einer ebenen Welle beleuchtet werden. Das Ergebnis der durch dieses Beugungselement eingeführten Beugung ist ein erzeugter Brennpunkt mit einem geringfügig verringerten Durchmesser, wobei durch diese Beugung im Vergleich zu der Beugungseffizienz, die innerhalb des gesamten Bereichs der diffraktiven Fresnel-Linse oder der Fresnel-Zonenplatte konstant ist, nur leicht vergrößerte Nebenmaxima erzeugt werden.
Somit kann die Berechnung der Subhologramme die vorhandene Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | berücksichtigen und eine leicht höhere Beugungseffizienz am Rand von großen Subhologrammen, die über die innere Plateaufläche hinausgehen, annehmen. Die Amplitudenwerte dieser komplexwertigen Pixel des Subhologramms, die am äußeren Rand des großen Subhologramms angeordnet sind, können leicht verringert werden, um die leicht erhöhte Beugungseffizienz des Randbereichs oder der Randzone zu kompensieren. Obwohl es scheint, dass dies kleine Einflüsse sind, tragen sie alle zu den die Gesamtbildqualität verringernden Artefakten bei. Deshalb sollte der Einfluss kompensiert werden, um eine Bildqualität so hoch wie möglich vorzusehen. Die beschriebene Kompensation kann mittels eines zusätzlichen Amplitudenfaktors der komplexwertigen Pixel des SLM, bezogen auf die Randzonen der Subhologramme, durchgeführt werden. Genauer, die Kodierung wird z. B. unter Verwendung einer Amplitudenkorrektur der Subhologramme durchgeführt. Die Hologramme, die die gesamte dreidimensionale Szene definieren, werden zu dem komplexwertigen SLM und seinen Pixeln übertragen.
Im Allgemeinen kann dies für verschiedene Verteilungen des Betrags des komplexen Kohärenzgrades |µ₁₂ | verwendet werden. Wie bereits offenbart, kann die Subhologrammgröße signifikant verringert werden, damit sie nur leicht größer als ihre geometrische Projektion auf die Eintrittspupille des menschlichen Auges ist. Diese Prozedur verringert den für eine 2D-Kodierung eines Hologramms geforderten Rechenaufwand z. B. um einen Faktor 10.
Hinsichtlich der Realisierung von Intensitätsprofilen in der Ebene einer zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle wird darauf hingewiesen, dass die Intensitätsprofile der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle auf verschiedene Weisen verwirklicht werden können. Die Größe der Lichtquelle ist ein wichtiges Merkmal. Dies bedeutet, dass die Größe der Lichtquelle so klein wie nötig sein sollte. Im Ergebnis sind die Nebenmaxima z. B. eines sincförmigen Aperturprofils oder einer Verteilung, signifikant kleiner.
Es ist auch möglich, Polarisation zu verwenden. Für diesen Zweck ist es möglich, eine Kombination aus einem strukturierten Retarder und einem Polarisationsfilter oder einfach einen strukturierten Polarisationsfilter zu verwenden, der z. B. mit linear polarisiertem Licht beleuchtet wird, um Intensitätsprofile selbst bei kleinen Dimensionen zu erzeugen.
Weiterhin ist es möglich, binäre Muster zu verwenden. Wie in 8 zu sehen ist, können Graustufenverteilungen zu einem binären Muster übertragen werden. Wenn die kritische Abmessung (CD) dieses binären Musters so klein ist, dass das hinter der ausgedehnten Lichtquelle, gesehen in Lichtausbreitungsrichtung , vorgesehene optische System das binäre Muster nicht auflösen kann, dann kann dieser Typ der Strukturierung verwendet werden, um effektive Graustufenverteilungen zu erzeugen. Je kleiner die numerische Apertur eines optischen Systems ist, desto kleiner sind die Ortsfrequenzen, die durch es übertragen werden. Dies wird durch die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) beschrieben, die der Betrag der Fourier-Transformation der Punktspreizfunktion (PSF) ist, die beschreibt, wie ein einzelner Objektpunkt durch ein verwendetes optisches System abgebildet würde. Eine binäre Amplitudenmaske, die z. B. eine kritische Abmessung von 1 µm verwendet, könnte verwendet werden, um die Amplitudenverteilung der zu kollimierenden ausgedehnten Lichtquelle zu erzeugen. Eine Randbedingung ist, dass die 1 µm breiten Pixel der Lichtquellenebene in der Ebene des Betrachterfensters nicht sichtbar sein würden. Die Verwendung eines statistischen randomisierten Musters kann eine bevorzugte Option sein. Aber es könnte auch möglich sein, sogenannte Punktmusterverteilungen eines binären Musters zu verwenden. Eine Punktmusterverteilung unter Verwendung eines festen Adressenrasters kann auch unter Verwendung z. B. statistischer zufalls- und normalverteilter seitlicher Verschiebungen der individuellen einzelnen Punkte in einer oder zwei Richtungen randomisiert werden. Somit können Beugungsartefakte aufgrund einer definierten Verschmierung oder Unschärfe wohldefinierter Ortsfrequenzen verringert werden.
Es ist auch möglich, ein Oberflächenreliefprofil mit der Vorderseite nach unten in einen gefärbten Klebstoff zu tauchen. Zusätzliche Phasenverschiebungen, die auch eingeführt werden könnten, können innerhalb der ohnehin verwendeten zusätzlichen Phasenmaske berücksichtigt und korrigiert werden.
Zusätzlich kann die Technik, die verwendet wird, um gedämpfte Phasenverschiebungsmasken zu erzeugen, auch verwendet werden, um die Amplitudenverteilung und (erforderliche) Phasenverteilung zu erzeugen. Dies bedeutet, dass z. B. Elektronenstrahlschreiben eines HEBS-Substrats (High Energy Beam sensitive Substrate) verwendet werden kann, das die Transmission in Abhängigkeit von der Dosis der angewendeten Hochenergie-Elektronenstrahl-Bestrahlung permanent ändert.
Die Kombination der primären Wellenlängen oder Farben RGB wird nachstehend beschrieben. Die komplexwertigen Amplitudenverteilungen bezüglich der verschiedenen Primärfarben RGB, die zu verwenden sind, um den SLM einer holographischen Anzeigeeinrichtung zu beleuchten, können separat erzeugt und unter Verwendung diffraktiver oder refraktiver wellenlängenselektiver Strahlkombinierer kombiniert werden. Als Strahlkombinierer kann z. B. ein auf Bragg-Beugung basierendes Volumengitter oder ein Philips-Farbprisma verwendet werden, um die RGB-Strahlengänge zu kombinieren.
In Betrieb kann z. B. ein direkter Weg sein, die komplexwertigen ausgedehnten Lichtquellen der drei verschiedenen Primärfarben RGB separat zu erzeugen. Danach wird ein Philips-Prisma verwendet, um die drei Strahlengänge hinsichtlich der verschiedenen Primärfarben RGB zu kombinieren. Eine Linse oder eine Linsengruppe, die zu einer Makrolinse äquivalent ist, kann verwendet werden, um die verschiedenen Lichtquellen auf einen rotierend konstruierten Diffusor abzubilden, der in einer Weise optimiert ist, um eine homogene Beleuchtung des SLM für alle verwendeten Primärfarben vorzusehen.
Wenn eine relevante Aberration vorliegen könnte, können spezifische Korrekturen durchgeführt werden, z. B. unter Verwendung zugeschnittener asphärischer Freiformflächen innerhalb des abbildenden optischen Systems.
Der statische Teil der komplexwertigen Amplitudenverteilung der Lichtquellenebenen der verschiedenen Farben kann auch unter Verwendung der CGH oder auf Bragg-Beugung basierender Volumengitter erzeugt werden. Volumengitter können vorgesehen werden, um primäre Lichtstrahlen (z. B. Laserstrahlen) zu verwenden und um sie in die geforderten komplexwertigen Verteilungen zu übertragen. Dies kann auch in einer derartigen Weise durchgeführt werden, dass die Volumengitter innerhalb eines einzigen Elements gemultiplext werden.
Weiterhin kann die diffraktive Strahlformung in einer derartigen Weise vorgesehen werden, dass die erzeugten Lichtquellenverteilungen in einer Ebene überlagert werden, die einen rotierend konstruierten Diffusor aufweist. Dies spart eine zusätzliche Abbildungsoptik, die die Lichtquellen auf die dynamisch konstruierte Diffusorebene abbildet.
Z. B. kann eine auf einer schnellen Schwingspulentranslation oder einer Piezotranslation (PZT) basierende seitliche Bewegung von kleinen konstruierten Diffusorfolien auf kompakte Weise realisiert werden. Auf MEMS (micro-electro-mechanical system) basierende dynamische Diffusoren oder deformierbare Spiegel sind teuer, nicht schnell genug und weisen im Vergleich z. B. mit kompakten, PZT-basierten Ausführungsformen eine erhöhte Ausfallrate auf. Derartige Diffusoren sind nicht bevorzugt. Schwingspulen oder PZT können im gepulsten Modus oder im Resonanzmodus verwendet werden, um eine ausreichend schnelle Bewegung, kombiniert mit einer angemessenen Elongation der seitlichen Bewegung von z. B. wenigstens 100 µm vorzusehen. Diskrete Werte der erforderlichen seitlichen Bewegung des Diffusors sind von der verwendeten diskreten optischen Ausführungsform abhängig. Somit könnte es auch möglich sein, dass eine maximale dynamische setiliche Bewegung eines konstruierten Diffusors von bis zu 1 mm gefordert wird. Ein Hub von z. B. 1 mm kann durch im kHz-Bereich betriebene PZT-Elemente vorgesehen werden.
Während bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist natürlich selbstverständlich, dass die Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist, da durch Fachmänner auf dem Gebiet, insbesondere in Anbetracht der vorhergehenden Lehren, Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/044659 A1 [0062]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, wobei Subhologramme zum Kodieren eines Hologramms verwendet werden, aufweisend: - wenigstens eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht zum Beleuchten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, - eine Strahlformungseinheit, die eine plateauförmige Flat-Top-Verteilung eines Betrags eines komplexen Kohärenzgrades des Lichts in einer Ebene der zu beleuchtenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorsieht, wobei die plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades eine Form aufweist, die wenigstens zu einer Form des größten, zur Kodierung von Objektpunkten in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendeten Subhologramms ähnlich ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, die in der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist, eine Fiat-Top-Funktion aufweist, die einen Wert nahe 1 innerhalb eines Bereichs des größten Subhologramms und einen Wert nahe 0 außerhalb des Bereichs des größten Subhologramms aufweist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlformungseinheit einen Strahlformungsdiffusor mit einer Phasenstruktur aufweist, die eine definierte Intensitätsverteilung erzeugt.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Strahlformungsdiffusor als eine Strahlstreuplatte oder eine Strahlstreufolie oder ein dynamischer Strahlformungsdiffusor ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Strahlformungsdiffusor als ein rotierender oder sich seitlich bewegender Strahlformungsdiffusor ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Strahlformungsdiffusor in Segmente unterteilt ist, wobei die Segmente mit Aktuatoren versehen sind, die derart angesteuert werden, dass eine dynamische randomisierte Phasenverteilung des Lichts erzeugbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Fall der Verwendung einer eindimensionalen Kodierung eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades eine liniensegmentartige Flat-Top-Verteilung mit einer liniensegmentartigen Flat-Top-Funktion ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Fall der Verwendung einer zweidimensionalen Kodierung eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades eine Form aufweist, die von der Form der Subhologramme der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung abhängt.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades eine kreisförmige Flat-Top-Verteilung mit einer kreisförmigen Flat-Top-Funktion oder eine rechteckige Flat-Top-Verteilung mit einer rechteckigen Flat-Top-Funktion ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zur Erzeugung einer ausgedehnten Lichtquelle ein optisches System und die Strahlformungseinheit vorgesehen sind, wobei die ausgedehnte Lichtquelle Licht mit der plateauförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades emittiert und es zu einer Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die die Subhologramme aufweist, richtet.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Erzeugung der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, die in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorliegt, in einer Ebene der ausgedehnten Lichtquelle unter Verwendung einer komplexwertigen sinc-funktionsartigen Verteilung, vorzugsweise verwendet für rechteckig geformte Subhologramme, oder einer komplexwertigen Bessel-Funktion, vorzugsweise verwendet für kreisförmige Subhologramme, vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Form der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades, die in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorliegt, an die Form der Subhologramme der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung anpassbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Aperturblende zum Blockieren störenden Lichts vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Aperturblende in einer Ebene der ausgedehnten Lichtquelle vorgesehen ist, um eine erforderliche Amplitudenverteilung des Lichts vorzusehen, das durch die ausgedehnte Lichtquelle emittiert wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine Phasenfunktion, vorzugsweise eine Linsenfunktion, zum Verschieben der Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades von einem Fernfeld in eine Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei ein Hinzufügen der Phasenfunktion zu der komplexwertigen räumlichen, in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle vorliegenden Lichtverteilung vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine Amplitudenmaske und/oder eine Phasenmaske oder eine gedämpfte Phasenverschiebungsmaske in der Ebene wenigstens einer Lichtquelle oder in der Ebene der ausgedehnten Lichtquelle vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei ein Streuelement oder die Strahlformungseinheit in einer Ebene der ausgedehnten Lichtquelle zur Erzeugung einer zeitlich variierenden randomisierten Phasenverteilung vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Streuelement oder die Strahlformungseinheit räumliche randomisierte Phasenstufen innerhalb eines Bereichs vorsieht, der größer oder gleich ±π ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Streuelement oder die Strahlformungseinheit eine räumliche randomisierte Phasenverteilung vorsieht, die zugeschnitten ist, um in einer flat-top-artigen Intensitätsverteilung zu resultieren, die in der Eintrittsebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorliegt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei ein Apodisationsprofil zur Unterdrückung von Nebenmaxima im Beugungsmuster der räumlichen Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Apodisationsprofil zu einer komplexwertigen Verteilung der ausgedehnten Lichtquelle hinzugefügt ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei im Fall der Verwendung einer eindimensionalen Kodierung eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung ein Volumengitter zur Ausdehnung des Lichts entlang einer Richtung vorgesehen ist, um eine eindimensionale Lichtintensitätsverteilung zu erzeugen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei im Fall der Verwendung einer eindimensionalen Kodierung eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung eine Powell-Linse zur Ausdehnung des Lichts entlang einer Richtung vorgesehen ist, um eine eindimensionale Lichtintensitätsverteilung zu erzeugen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei eine statische oder dynamische Wellenfrontformung zum Erreichen einer erhöhten Tiefenschärfe, die eine definierte Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades enthält, vorgesehen ist.
Anzeigevorrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigevorrichtung, zur Rekonstruktion zweidimensionaler und/oder dreidimensionaler Objekte oder Szenen, die eine Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 und eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung aufweist, wobei die räumliche Lichtmodulationseinrichtung in Lichtausbreitungsrichtung gesehen nach der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 26, die ferner eine Feldlinse oder eine Verbundfeldlinse aufweist, die wenigstens ein Volumengitter aufweist.
Verfahren zum Beleuchten einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit einer Lichtintensitätsverteilung, die definierte Kohärenzeigenschaften aufweist, wobei Subhologramme zum Kodieren eines Hologramms in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Emittieren von Licht durch wenigstens eine ausgedehnte Lichtquelle, - Kollimieren des sich hinter der wenigstens einen ausgedehnten Lichtquelle ausbreitenden Lichts durch eine Kollimationseinheit, - Erzeugen einer plateauförmigen Flat-Top-Verteilung eines Betrags eines komplexen Kohärenzgrades des Lichts in einer Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung durch eine Strahlformungseinheit, wobei die plateauförmige Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades eine Form aufweist, die wenigstens zu einer Form des größten Subhologramms ähnlich ist, das zum Kodieren von Objektpunkten in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung verwendet wird, und - Beleuchten der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit der plateauförmigen Flat-Top-Verteilung des Betrags des komplexen Kohärenzgrades des Lichts.