DE19758395C2

DE19758395C2 - Verfahren und Sehvorrichtung zur holographischen Visualisierung virtueller Bilder und Muster

Info

Publication number: DE19758395C2
Application number: DE19758395A
Authority: DE
Inventors: Marcel Rogalla; Stephan Teiwes; Sven Krueger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: DE19758395A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Sehvorrichtung zur holographischen Visualisierung virtueller Objektbilder und Muster im freien Raum. Die Sehvorrichtung besteht aus computergenerierten mikrostrukturierten optischen Komponenten, die in ein Gestell gefaßt sind, und einer Lichtquellenanordnung, deren Lichtquellen einzeln schaltbar sind und aus sehr einfachen, preiswerten Punktlichtquellen wie Glühlämpchen und Leuchtdioden bestehen können. Die Lichtquellenanordnung wird derart betrieben, daß durch die räumliche Positionierung und Schaltreihenfolge der einzelnen Lichtquellen in Verbindung mit der Sehvorrichtung räumliche optische Effekte und Bewegungseffekte hervorgerufen und dynamisch verändert werden. Durch Verwendung verschiedener Weiß- und Farblichtquellen können durch die Sehvorrichtung zusätzlich räumliche Farbeffekte erzielt werden. DOLLAR A Das Verfahren beschreibt die computergestützte Entwicklung mikrostrukturierter optischer Komponenten, sogenannter digitaler holographischer oder diffraktiver Elemente, die einfallendes Licht in einer definierten Weise beugen und beliebige vorgegebene Objektbilder und Muster sichtbar machen. Dabei gibt es grundsätzulich keine besonderen Anforderungen an die Lichtquellen. Die berechneten Mikrostrukturen werden, z. B. durch lithographische Verfahren, auf transparente Trägermedien aufgetragen und in ein eigens konstruiertes Gestell eingesetzt. Ebenso können die mikrostrukturierten optischen Komponenten z. B. durch eine Halterung ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren and eine Sehvorrichtung zur Visualisierung virtueller Objektbilder und Muster im freien Raum. Die Sehvorrichtung besteht aus computergenerierten mikrostrukturierten optischen Komponenten und einer räumlichen Lichtquellenanordnung. Die mikrostrukturierten optischen Komponenten sind in ein Gestell gefaßt, so daß sie von einem Benutzer wie eine Brille getragen werden können. Das Gestell kann auch so konstruiert sein, daß sich die mikrostrukturierten optischen Komponenten durch den Benutzer problemlos ausgetauschen lassen. Ebenso ist es möglich, mikrostrukturierte optische Komponenten auf gewöhnliche Brillengläser aufzubringen oder mit einer Klemmvorrichtung auf diesen Gläsern zu befestigen. Die Lichtquellen der Lichtquellenanordnung sind einzeln schaltbar und können sehr einfache, preiswerte Punktlichtquellen wie Glühlämpchen und Leuchtdioden sein. Die Lichtquellenanordnung wird derart betrieben, daß durch die räumliche Positionierung und Schaltreihenfolge der einzelnen Lichtquellen in Verbindung mit der Sehvorrichtung räumliche optische Effekte und Bewegungseffekte hervorgerufen und dynamisch verändert werden. Zudem können durch die Verwendung verschiedener Weiß- und Farblichtquellen räumlich und dynamisch Farbeffekte erzielt werden.

In dem U.S. Patent 5,546,198, "Generation of selective visual effects", J. von der Gracht und R. Athale, Aug. 1996, wird eine Methode und ein Gerät zur Erzeugung selektiver optischer Effekte vorgestellt. Dieses Patent beinhaltet eine Brille, in der transparente Fernfeldhologramme eingefasst sind, welche optische Effekte oder Muster infolge von Beugungseffekten erzeugt. Im Unterschied zum U.S. Patent 5,546,198 wird durch die hier beschriebene Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung erläutert, bei der die optischen Komponenten in ein Gestell gefaßt sind, welches erlaubt, daß die mikrostrukturierten optischen Komponenten auf gewöhnlichen Brillengläsern aufgebracht oder mit einer Klemmvorrichtung auf besagten Brillengläsern befestigt sind.

So kann ein Benutzer die optischen Komponenten problemlos auswechseln. Mikrostrukturen können auch durch ihre Zusatzfunktion gewöhnliche Gläser und Brillengläser aufwerten. Außerdem beinhaltet die Vorrichtung eine räumliche Lichtquellenanordnung, wobei die Lichtquellen der Anordnung einzeln schaltbar sind und aus sehr einfachen, preiswerten Punktlichtquellen wie Glühlämpchen und Leuchtdioden bestehen können. Diese Lichtquellenanordnung kann derart betrieben werden, daß durch die räumliche Positionierung, die Art und Schaltreihenfolge der einzelnen Lichtquellen in Verbindung mit der Sehvorrichtung räumliche optische Effekte wie insbesondere Bewegungs- und Farbeffekte sowie virtuelle Bilder hervorgerufen und dynamisch realisiert werden. In zwei Implementierungsausprägungen der Sehvorrichtung in Verbindung mit der räumlichen Lichtquellenanordnung können in der einen Variante beliebige virtuelle Muster, z. B. Punkt-, Linien-, Flächenmuster oder Texturen, und in der zweiten Variante beliebige virtuelle Objektbilder, z. B. Tier-, Personenbilder, Silhouetten, Schriftzüge oder Logos, räumlich und farblich variierend sichtbar gemacht werden.

Die Visualisierung virtueller Bilder und Muster beruht auf dem physikalische Beugungseffekt, der an optischen Mikrostrukturen auftritt. Die Mikrostrukturen werden mit einem Computer berechnet, so daß sie einfallendes Licht derart beugen, daß dem Betrachter ein gewünschtes Objektbild oder ein Muster virtuell erscheint. Dabei hängt die Größe dieses virtuellen Objektbildes oder Musters von der Entfernung des Betrachters zur Lichtquelle ab. Es werden grundsätzlich keine besonderen Anforderungen an die Lichtquelle gestellt.

Mit dem Verfahren lassen sich zwei Varianten der holographischen Sehvorrichtung entwickeln. Die erste Variante ist eine holographische Effekt-Brille, mit der beliebige virtuelle Muster, z. B. Punkt-, Linien-, Flächenmuster, Texturen, holographisch sichtbar gemacht werden. Die zweite Variante ist eine holographische Objektbild-Brille, mit der beliebige virtuelle Objektbilder, z. B. Tier-, Personen- und Autobilder, Schriftzüge, Logos, sichtbar gemacht werden. Zur Sehvorrichtung gehört eine Lichtquellenanordnung, wobei die Lichtquellen der Anordnung einzeln schaltbar sind und aus sehr einfachen, preiswerten Punktlichtquellen wie Glühlämpchen und Leuchtdioden bestehen können. Die Lichtquellenanordnung wird derart betrieben, daß durch die räumliche Positionierung und Schaltreihenfolge der einzelnen Lichtquellen in Verbindung mit der Sehvorrichtung räumliche optische Effekte wie insbesondere Bewegungs- und dynamisch Farbeffekte entstehen.

Holographische Verfahren finden heute in sehr verschiedenen Bereichen Anwendungen, so u. a. in der Laserindustrie, Sicherheitstechnik, Kunst oder der Unterhaltungs- und Spielzeugbranche. Sehr bekannt sind Hologramme, die einen räumlichen Bildeindruck von Objekten geben. Solche Hologramme werden mit einer Laserapparatur auf holographischem Film belichtet und anschlie ßend entwickelt. Sie können üblicherweise im Weißlicht betrachtet werden. Ein weniger bekanntes Verfahren ist der computergestützte Entwurf von holographischen optischen Elemen ten, auch diffraktive Elemente genannt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Hologrammen besitzen diese Elemente digitale Mikrostrukturen, die mit einem Computerprogramm berechnet und z. B. mit einem lithographischen Verfahren hergestellt werden. Anwendungen digitaler diffraktiver Elemente finden sich bisher fast ausschließlich in der Laseroptik zur Formung von Laserstrahlen. Computergenerierte diffraktive Elemente eignen sich aber auch für Anwendungen in der Werbe- und Unterhaltungsindustrie, was Gegenstand dieser Erfindung ist.

Die Sehvorrichtung besteht aus einem oder mehreren diffraktiven Elementen, die in ein Gestell eingefaßt sind und welches von einem Benutzer wie eine gewöhnliche Brille getragen werden kann. Das Gestell kann das einer gewöhnlichen Brille oder ein eigens entworfenes Gestell sein, das sehr preiswert aus Kunststoff oder fester Pappe oder bei Bedarf aber auch aus Metall hergestellt werden kann. Komplizierter ist die Herstellung der diffraktiven Elemente, die im folgenden genau beschrieben wird.

Der Entwurf des diffraktiven Elements beginnt mit der Definition des Objektbildes oder Musters, das visualisiert werden soll. Ist das Bild oder Muster gegeben, so kann die Mikrostruktur des Elements mit einem numerischen Optimierungsverfahren, z. B. dem sogenannten iterativen Fouriertransformationsalgorithmus, berechnet werden, wobei die Mathematik der sogenannten skalaren Wellenoptik verwendet wird. Die berechnete Mikrostruktur wird digital durch eine Grauwert-Bildmatrix repräsentiert. Die Werte der Matrix können zur Ansteuerung eines lithographischen Belichtungsgeräts, z. B. Photoplotter oder Elektronenstrahllithograph, verwendet werden. Es gibt zwei typische Varianten diffraktiver Elemente, solche die einfallendes Licht durch Grauwertmikrostrukturen beeinflussen und solche, die die Phaseneigenschaften einfallen den Lichts durch eine Oberflächenstruktur beeinflussen. Letztere hat den bedeutenden Vorteil, daß sie infolge der völligen Transparenz der Elemente eine optimale Lichtausbeute ermöglichen. Für die Wirkungsweise diffraktiver Elemente bei dieser Erfindung ist es erforderlich, daß recht große Flächen (einige Quadratzentimeter) eines Trägermediums mit optischen Mikrostrukturen versehen werden müssen. Lithographisch geschieht dies, indem eine berechnete Elementstruktur auf dem Träger in beide Richtungen periodisch fortgesetzt hergestellt wird.

Die Methoden der Lithographie zur Herstellung optischer Mikrostrukturen sind aufgrund der langen Belichtungszeiten und weiteren Prozessen unter Reinraumbedingungen sehr teuer. Deshalb fertigt man bevorzugt diffraktive Masterelemente, die zur preiswerten Replikation durch Spritzguß- oder Prägetechniken verwendet werden können. Solche Replikationstechniken erfordern oberflächenmodulierte Mikrostrukturen, die sich vom Masterelement auf andere Medien kopieren lassen. Oberflächenmodulierte Mikrostrukturen können hergestellt werden, indem man z. B. den lithographischen Belichtungsprozeß mit einem chemischen Naßätzprozeß kombiniert. Durch den Ätzprozeß werden Oberflächenstrukturen erzielt, deren Profilhöhen von der Belichtungsintensität abhängen.

Eine effektive Methode, oberflächenmodulierte diffraktive Elemente herzustellen, ist die folgen de.

Das gewünschte Objektbild oder Muster wird zu einem hermitschen Bildsignal erweitert.

Hermitsche Signale zeichnen sich durch eine (komplexwertige) Punktsymmetrie zum Koor dinatenursprung aus. Diese Signale haben die besondere Eigenschaft, daß nur sie zu Element- Matrizen diffraktiver Elemente mit binären Einträgen führen. Diese Matrizen lassen sich mit den genannten Fabrikationstechniken besonders kostengünstig in binär gestufte Mikrostrukturen übertragen. Transparente oberflächenstrukturierte diffraktive Elemente weisen zudem eine bedeu tend höhere Lichtausbeute auf als vergleichbare Elemente, die Beugungseffekte durch eine Am plitudenmodulation des einfallenden Lichts erzielen. Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen erläutert:

Fig. 1 Funktionsweise einer holographischen Brille

Fig. 2 Binäre Bildmatrix eines mikrostrukturierten optischen Elements

Fig. 3 Herstellung einer Chrommaske

Fig. 4 Herstellung eines oberflächenmodulierten diffraktiven Elements

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise der Erfindung. Die hologra phische Seheinrichtung, hier als Brille dargestellt, besitzt mikrostrukturierte optische Einsätze. Dem Benutzer, der die Seheinrichtung trägt, erscheint beim Betrachten einer Lichtquelle ein virtuelles Bild im Raum. Das virtuelle Bild ist durch den Entwurf der optischen Mikrostrukturen festgelegt.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer berechneten Bildmatrix, die zur Herstellung einer optischen Mikrostruktur verwendet werden kann, welche das virtuelle Bild in Abb. 1 erzeugt. Die Herstellung einer solchen optischen Mikrostruktur geschieht mit Methoden der Lithographie. Die Bildmatrix kann dazu verwendet werden, eine Belichtungsmaschine wie z. B. einen Laser photoplotter oder einen Elektronenstrahllithographen zu steuern. Eine typische Vorgehensweise zur Herstellung eines diffraktiven Elements besteht darin, ein Abbild der Bildmatrix auf einer Chrommaske zu erzeugen, um mit diesem Masterelement in einem weiteren Prozeßschritt ein oberflächenmoduliertes diffraktives Element herzustellen.

Fig. 3 verdeutlicht das Prinzip der Herstellung einer Chrommaske. Der Träger ist ein chrombe schichtetes Glassubstrat. Dieses wird mit dem Laserphotoplotter an definierten Positionen mit einer bestimmten Auflösung belichtet. An den belichteten Stellen wandelt sich das Chrom in Chromoxid um. In einem Ätzprozeß wird das Chrom, im Gegensatz zum Chromoxid, vom Trägermedium getrennt. Es entsteht eine Mikrostruktur, deren lichtabsorbierende Pixel aus Chromoxid bestehen.

Fig. 4 zeigt zwei Verfahren zur Herstellung eines oberflächenmodulierten diffraktiven Elements.

Im oberen Bild ist die Herstellung mit Chrommasken und unten ein Direktbelichtungsverfahren dargestellt. Chrommasken werden verwendet, um ein mit Photoresist beschichtetes Substrat zu belichten. In einem anschließenden Entwicklungsprozeß bleibt der Resist an den unbelichteten Stellen und verschwindet an den belichteten Stellen. Die so entstandene Struktur wird durch einen Ätzprozeß in das Substrat übertragen. Dieser Prozeßablauf kann bei Verwendung mehrerer Masken fortgesetzt werden und führt zu mehrstufigen Oberflächenstrukturen. Beim Direktbelichtungsverfahren im unteren Bild wird die Resistschicht auf dem Substrat mit unterschiedlichen Intensitäten (A, B, C, D) belichtet. Durch einen anschließenden Entwicklungs- und Ätzprozeß wird ebenfalls eine gewünschte Oberflächenstruktur erzielt.

Bezugszeichenliste

1

Lichtquelle

2

Virtuelles Bild

3

Mikrostrukturierte optische Komponente

4

Gestell

5

Glassubstrat

6

Chromschicht

7

Chomoxidschicht

8

Belichtungsprozeß

9

Ätzprozeß

10

Photoresistschicht

11

Chrommaske

12

Goldschicht

Claims

1. Vorrichtung zur Visualisierung virtueller Objektbilder und Muster im freien Raum, bestehend aus computergenerierten mikrostrukturierten optischen Komponenten, einem Gestell und einer Lichtquellenanordnung, wobei die optischen Komponenten in das Gestell gefaßt sind, welches von einem Benutzer wie eine Brille getragen werden kann dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell derart konzipiert sein kann, daß die mikrostrukturierten optischen Komponenten auf gewöhnlichen Brillengläsern aufgebracht oder mit einer Klemmvorrichtung auf besagten Brillengläsern befestigt sind, daß die Vorrichtung mit besagter Lichtquellenanordnung, wobei die Lichtquellen der Anordnung einzeln schaltbar sind und aus sehr einfachen, preiswerten Punktlichtquellen wie Glühlämpchen und Leuchtdioden bestehen können, derart betrieben wird, daß durch die räumliche Positionierung und Schaltreihenfolge der einzelnen Lichtquellen in Verbindung mit der Sehvorrichtung räumliche optische Effekte wie insbesondere Bewegungs- und Farbeffekte hervorgerufen und dynamisch realisiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell auch so konzipiert sein kann, daß die mikrostrukturierten optischen Komponenten durch den Benutzer problemlos ausgetauscht werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zwei Implemen tierungsvarianten bestehen, wobei die erste Variante eine Effekt-Brille ist, mit der beliebige virtuelle Muster, z. B. Punkt-, Linien-, Flächenmuster, Texturen, holographisch sichtbar gemacht werden können, und die zweite Variante eine Objektbild-Brille darstellt, mit der beliebige virtuelle Objektbilder, z. B. Tier-, Personenbilder, Silhouetten, Schriftzüge, Logos, sichtbar gemacht werden können.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die computergenerierten mikro strukturierten optischen Komponenten auf transparente Kunststoffe, Folien und Gläser gewöhnlicher Brillen und Sonnenbrillen aufgebracht werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der physikalische Beugungseffekt an optischen Mikrostrukturen ausgenutzt wird, um virtuelle Objektbilder und Muster sichtbar zu machen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mikro strukturen mit einem Computer berechnet sind und damit die Möglichkeit gegeben ist, nahezu beliebige virtuelle Bilder zu erzeugen, und die Mikrostrukturen entweder als transmittive amplitudenmodulierende oder transmittive phasenmodulierende Strukturen auf einem trans parenten optischen Trägermedium realisiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die computerberechneten optischen Mikrostrukturen durch digitale Grauwert-Bildmatrizen beschrieben werden, die zur Ansteuerung eines Schreibgeräts, z. B. Laserphotoplotter oder Elektronenstrahllithograph, dienen und damit auf ein optisches Trägermedium übertragen werden, wobei im einfachsten Fall eine Mikrostruktur durch eine binäre Bildmatrix beschrieben wird, die im Herstellungsprozeß zu einem binär mikrostrukturierten optischen Element führt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß digitale Grauwert-Bildmatrizen zur Herstellung oberflächenmodulierter optischer Mikrostrukturen verwendet werden, die einerseits einen besonders hohen Lichtwirkungsgrad haben und zum anderen zur besonders preiswerten Replikation, z. B. durch Präge- oder Spritzgußverfahren, verwendet werden, wobei im einfachsten Fall eine binäre Bildmatrix, die eine optische Mikrostruktur definiert, durch den Herstellungsprozeß in ein optisches Element mit einem zweistufigen Höhenprofil übertragen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung sogenannter hermitscher Bildobjekte und Muster diffraktive Elemente mit einer binären Oberflächenstruktur berechnet werden können, die sich besonders einfach herstellen lassen.