DE68920920T2

DE68920920T2 - Vollfarbfähiger beugungsoptischer Streuschirm-/Jalousie-Filter-Laminat mit unterdrückter nullter Ordnung.

Info

Publication number: DE68920920T2
Application number: DE68920920T
Authority: DE
Inventors: Ronald T Smith
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1989-06-27
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2009-06-28
Also published as: DE68920920D1; EP0349884A2; DK330989A; IL90479A0; CA1328752C; EP0349884B1; DK330989D0; US5016950A; ES2014711A6; EP0349884A3; JPH0272321A

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf eine optische holographische Vorrichtung mit einem streuenden holographischen optischen Element, das Mittel zum Ablenken eines Strahles von weißem Licht umfaßt, das auf irgend einen bestimmten Punkt an dem streuenden holographischen optischen Element aus einer bestimmten Richtung im wesentlichen zu überlappenden roten, blauen und grünen Ausgangspupillen einfällt.
Brechende optische Streuschirme der zuvor erwähnten Art, die holographische Element umfassen, sind dem Fachmann wohlbekannt. Das Dokument USA-4 372 639 offenbart einen gerichteten Streuschirm mit Lichtbrechung. Fig. 1 dieses Dokumentes zeigt eine einfache Streuscheibe 20 mit Lichtbrechung derart, die genauer in dem Dokument US-A-4 372 639 beschrieben ist, der mit Licht aus einer monochromatischer Lichtquelle 22 beleuchtet ist. Diese Art von Schirm verwendet ein Streuhologramm und weist eine kleine und wohl definierte Ausgangspupille auf, eine hohe und gleichmäßige Ausbeute über die Ausgangspupille sowie eine geringe Rückstreuung.
Jedoch gelangt das Licht, das durch das holographische optische Element 20 ohne Ablenkung hindurchtritt, das als Licht nullter Ordnung bekannt ist, in die Umgebung, was unerwünscht ist. Desweiteren ergibt das einfache Streuhologramm gemäß Fig. 1 dieses Dokumentes keine gute Wiedergabe in voller Farbe. Das weiße auf das Hologramm schräg auffallende Licht wird gestreut, d.h. mit unterschiedlichen Winkeln für unterschiedliche Wellenlänge gebrochen, wodurch ein regenbogenartiger Fächer von farbigem Licht entsteht, der jeden Punkt des Hologramms verläßt. Dieser Effekt ist in Fig. 2 dieses Dokumentes erläutert, in der der Schirm 20 durch Licht aus einer weißen Lichtquelle 24 beleuchtet ist. Da die Divergenz des auf den Schirm projezierten Strahles eine große Variation des Einfallswinkels erzeugt, ist die sich ergebende Streuung so groß, daß nur ein kleiner überlappender Bereich zwischen der roten, grünen und blauen Ausgangspupille zur Betrachtung mit voller Farbe zur Verfügung steht.
Das Problem des Lichtes nullter Ordnung kann durch die Hinzufügung einer faseroptischen Frontplatte angegangen werden, wie in dem Dokument US-A-4 586 781 gezeigt. Die Frontplatte absorbiert das Licht nullter Ordnung während das abgelenkte Licht übertragen wird und lenkt die vielfarbigen Streukonen des Lichtes um ihre Faserachse ab, um einen gleichförmigen Ausgangskonus mit voller Farbe zu bilden. Das Problem bei dieser Anordnung besteht darin, daß die optischen Fasern einer faseroptischen Frontplatte alle parallel zueinander orientiert sind, so daß die austretenden Streukonen alle zueinander parallel sind. Um einen annehmbaren überlappenden Sichtbereich mit voller Farbe zu erhalten, ist es notwendig, die Streukonen sehr groß zu machen. Das Ergebnis ist derart, daß ein großer Teil des Lichtes verloren geht und daß der Hauptvorteil des holographischen Schirms, seine hohe Ausbeute, stark eingeschränkt wird. Man könnte eine Linse vor dem Schirm verwenden, um die Fokussierung der Streukonen zu erreichen, um die hohe Ausbeute zu erhalten. Jedoch ist eine konvex nach außen gebogene Fläche in einer Umgebung mit einem starken Umgebungsbeleuchtungspegel nicht akzeptierbar, da sie Umgebungslicht oder Sonnenlicht aus einem weiten Bereich von Positionen direkt in die Ausgangspupille des Betrachters reflektiert.
Das Dokument EP-A-66 496 beschreibt Rasterfilter als solche. Dieses Dokument beschreibt die Herstellung solcher Filter durch holographische Verfahren, als auch ihren Gebrauch in einer Kathodenstrahlröhre von Luftverkehrs-Kontrollsystemen.
Das Dokument US-A-4 586 780 offenbart faseroptische Frontplatten, bei denen die Frontplatte zwischen zwei besonderen holographischen Schirmen eingebettet ist. Der erste holographische Schirm bricht den Lichtstrahl und orientiert ihn derart, daß er parallel zu den optischen Fasern in der faseroptischen Frontplatte ist, während ungebrochenes Licht absorbiert wird. Der zweite holographische Schirm erzeugt das holographische Bild.
Es ist deshalb eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Schirm anzugeben, der die Vorteile eines Streuschirmes mit gerichteter Brechungsoptik aufweist und zusätzlich geeignet ist, den Strahl nullter Ordnung abzublocken und eine Betrachtung mit voller Farbe zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine optische holographische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung gibt somit eine optische Vorrichtung zur wirkungsvollen Betrachtung eines projezierten Bildes in voller Farbe an. Bei einer Ausführung umfaßt die Vorrichtung einen holographischen Streuschirm mit optischer Brechung, um das einfallende Bild zu einer wohl definierten Bildpupille abzulenken. Um das durch den Streuschirm fallende Licht nullter Ordnung abzublocken, ist ein Rasterfilter mit dem optisch brechenden holographischen Streuschirm verbunden. Das Rasterfilter umfaßt eine Mehrzahl von transparenten Zellen, die durch undurchsichtige Raster oder Teile getrennt sind. Eine plankonvexe Linse kann vor dem Streuschirm angeordnet sein, um das Licht von einem Projektor mit vollfarbiger Punktquelle zu fokussieren. Dies ergibt einen wirkungsvollen Schirmaufbau, der weißes Licht von einem Punkt quellen-Projektor bricht, so daß sich rote, grüne und blaue Ausgangspupillen im wesentlichen überlappen, wodurch ein großer Überlappungsbereich zur Betrachtung mit voller Farbe entsteht.
Bei einer anderen Ausführung umfaßt die optische Vorrichtung die plankonvexe Fokussierlinse, den optisch brechenden holographischen Streuschirm und das Rasterfilter, wobei das Rasterfilter in einer flachen halbzylindrischen Form gebogen ist, so daß jedes Raster mit der Sichtlinie des Betrachters ausgerichtet ist. Diese Krümmung eliminiert weitgehend eine Bild-Vignettierung und Moiré-Muster. Es wird ein Mittel zur Befestigung des Rasterfilters angegeben, um die gewünschte Krümmung zu erreichen. Dieses Mittel umfaßt eine Laminierung des Rasterfilters zwischen einer zylindrischen plankonvexen Linse und einer zylindrischen plankonvexen Linse, die zusätzlich ein Kontrastverstärkungs-Filter aufweisen kann.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in der zugehörigen Zeichnung dargestellt sind, verdeutlicht, in der:
Fig. 1 und 2 einen bekannten Streuschirm mit gerichteter Lichtbrechung zeigen, der durch entsprechende monochromatische und weiße Lichtquellen beleuchtet ist;
Fig. 3 einen Aspekt der Erfindung darstellt, bei dem eine Fokussierlinse vor dem Schirm mit gerichteter Brechung angeordnet ist, um einen großen Bereich zur Betrachtung mit voller Farbe zu erzeugen;
Fig. 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, bei dem eine Fokussierlinse, ein Streuschirm und ein Rasterfilter verwendet werden;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Querschnittes des Streulaminates gemäß Fig. 4 ist;
Fig. 6 die Vignettierung des Bildes durch ein Rasterfilter zeigt, das eben ist;
Fig. 7 ein zylindrisch gekrümmtes Rasterfilter zur Elimination der in Fig. 6 dargestellten Bildvignettierung zeigt;
Fig. 8 eine andere bevorzugte Ausführung der Erfindung darstellt;
Fig. 9 eine vergrößerte geschnittene Ansicht des Schirmlaminates gemäß Fig. 8 ist und
Fig. 10 einen Belichtungsaufbau zur Herstellung des verwendeten holographischen Schirms mit Lichtbrechung zeigt, der bei den angegebenen Ausführungen der Erfindung verwendet wird.
Ein Aspekt der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Das Schirmlaminat 30 umfaßt eine plankonvexe Linse 34, die vor dem Streuhologramm 32 angeordnet ist, um eine weitgehende oder vollständige Fokussierung des Lichtes von einem Punktquellen- Projektor 26 auszuführen, wobei das Hologramm 32 nur die Ablenkung und Streuung ausführen muß. Das Ergebnis ist ein Schirmlaminat 30, das geeignet ist, weißes Licht von dem Punktquellen-Projektor 26 abzulenken, so daß die rote, grüne und blaue Ausgangspupille weitgehend überlappen, um einen großen Überlappungsbereich zur Betrachtung mit voller Farbe zu schaffen. Die optimale Überlappung, und damit die höchsten Schirmausbeuten, können dann erreicht werden, wenn die Linse 34 abgestimmt ist, um eine vollständige Fokussierung des von dem Projektor 26 einfallenden Lichtes zu erreichen, so daß der Ablenkwinkel Θ über das gesamte Hologramm 32 konstant ist.
Der Ablenkwinkel Θ ist der Winkel zwischen jedem fokussierten Strahl, der die Linse 34 verläßt, d.h. als wenn das Streuhologramm 32 nicht vorhanden wäre, und zwischen dem mittigen Strahl des entsprechenden gebrochenen Lichtkonus, der das Streuhologramm 32 verläßt. Somit erstreckt sich z.B. der Winkel Θ zwischen der Mittelachse des Lichtkonus 29a und dem fokussierten Strahl 27a zwischen der Mittelachse des Lichtkonus 29b und dem fokussierten Strahl 27b, und gleichfalls zwischen der Mittelachse des Lichtkonus 29c und dem fokussierten Strahl 27c (Fig. 3). Es versteht sich, daß die fokussierten Strahlen 27a bis 27c zu Illustrationszwecken dargestellt sind und die Fokussierung des an der Quelle 26 durch die Linse 34 einfallenden Lichtes darstellen. Das Licht, das durch das Hologramm 32 abgelenkt wird, wird zu der Ausgangspupille, wie in Fig. 3 dargestellt, abgelenkt; nur das nicht gebrochene Licht nullter Ordnung folgt den Strahlen 27a bis 27c.
Der Ablenkwinkel Θ und die Gelatindicke des Streuhologramms 32 können so ausgelegt werden, daß die spektrale Bandbreite des Schirms sehr groß ist, so daß der Schirm Licht über das gesamte sichtbare Spektrum wirksam ablenkt. Eine Abnahme des Ablenkwinkels und der Gelatindicke führen zu einer Zunahme in der spektralen Bandbreite, wie den Fachleuten bekannt ist.
Das in Fig. 3 dargestellte Schirmlaminat ist zur wirkungsvollen vollfarbigen Betrachtung geeignet, blockiert jedoch das durch das Streuhologramm 32 gelangende Licht nullter Ordnung nicht. Eine bevorzugte, in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführung der Erfindung blockiert das Licht nullter Ordnung durch Laminierung der Linsen/Hologramm-Anordnung gemäß Fig. 3 mit einem geneigten Rasterfilter 38, das eine Übertragung des abgelenkten Streulichtes durch das Filter 38 erlaubt, während das Licht nullter Ordnung abgeblockt wird.
Das Rasterfilter 38 ist ein "venezianischer Blind-Typus" derart, der aus transparenten Zellen besteht, die durch undurchsichtige Raster oder Teile getrennt sind. Ein Beispiel des Rasterfilters ist der "Light Control Film" der kommerziell von der Firma 3M erhältlich ist. Der Light Control Film ist ein dünner flexibler Plastikfilm, der eng beabstandete schwarze Mikroraster aufweist.
Das dünne Filmsubstrat ist Zellulose-Acetat-Butyrat. Das Produkt ist mit mehreren möglichen Rasterorientierungen erhältlich, wobei der maximale Lichtdurchlaß variabel bei 0º Grad (senkrecht zur Filmoberfläche)1 18º, 30º oder 45º erfolgt (alle Winkel in Luft). Das Produkt ist in Filmdicken von 0,030 bis 0,050 inch erhältlich, mit niedrigen Abstufungen von 0,005 oder 0,010 inch und einer unteren Dicke von 0,0005 inch. Die Verwendung eines Leitkontrollfilms mit einer Filmdicke von 0,030 inch, einem Übertragungswinkel zur maximalen Lichtübertragung von 30º, einem Rasterabstand von 0,005 inch und einer Rasterdicke von 0,0005 inch hat sich als wirkungsvoll für die gegenwärtige Anwendung erwiesen.
Das Filter 38 ist mit der Gelatineschicht 32A' des optisch brechenden Streuschirms 32' (Fig. 4 und 5) verbunden. Bei dem von 3M vermarkteten Leitkontrollfilm wird vorzugsweise der polymerisierende Kleber PA-4824 von 3M verwendet, um das Filter mit der Streuscheibe 32' zu verbinden. Die Verwendung dieses Klebers und seine Eigenschaften sind in dem Datenblatt enthalten, das von der Adhesives, Coatings and Sealers Division of 3M am 6. Oktober 1976 herausgegeben wurde.
Bei der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführung sind die Raster, die das Filter 38 bilden, optimal in Bezug auf den Betrachter nur bei einem Streifen entlang der Mitte des Hologramms 32A' angeordnet, wie in Fig. 6 dargestellt. Bei einer Bewegung von der Hologrammitte nach oben oder unten vignettieren die Raster mehr und mehr das abgelenkte Streulicht. Dieses Ergebnis stellt ein nachteiliges Abfallen der Schirmintensität nach oben und unten vom Hologramm 32A' dar. Falls der Rasterabstand des Rasterfilters 38 größer als die Anzeige-Pixel-Größe ist, wird ferner die ganze Reihe von Pixeln in der Nähe des oberen und unteren Endes des Schirms verdunkelt. Falls der Rasterabstand in der Größenordnung des Pixelabstandes ist, ergeben sich nachteilige Moiré-Muster.
All die vorgenannten Probleme können durch Biegung des Rasterfilters in einen leichten Halbzylinder vermieden werden, so daß jedes Raster des Filters optimal mit der Sichtlinie des Betrachters an der Ausgangspupille ausgerichtet ist. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, wobei das Filter 38' derart gebogen ist, daß die Raster 38A' mit der Sichtlinie des Betrachters ausgerichtet sind. Ein praktischer Weg zur Erzeugung der Biegung des Filters besteht darin, daß gekrümmte Rasterfilter zwischen einer zylinderischen plankonvexen Linse und einer zylindrischen plankonvexen Linse einzuschließen, die jeweils die gewünschten Krümmungen haben. Diese Linsen können aus klarem Material bestehen; jedoch ist es wahrscheinlich, daß man bei vielen Anwendungen die Linsen absorbierend machen möchte. Da Umgebungslicht durch die absorbierende Linse zweimal hindurchtreten muß, um zur Umgebung zurückzugelangen, während Bildbeleuchtung nur einmal durch die absorbierte Linse fällt, ist das Ergebnis eine Verbesserung des Anzeigenkontrastes zu Lasten einer gewissen Anzeigehelligkeit. Somit kann das absorbierende Filter, das die plankonvexen Linsen umfaßt, ein Filter zur Kontrastverbesserung umfassen.
Das Gesamtergebnis ist die optische Vorrichtung, die in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist. Das Schirmmodul 50 weist alle Vorteile eines einfachen optischen brechenden Streuschirms auf und erlaubt zusätzlich die Unterdrückung von Licht nullter Ordnung und eine Betrachtung mit voller Farbe. Das Modul 50 umfaßt eine plankonvexe Linse 34" zur Fokussierung des Lichtes von dem weißen Lichtpunkt-Projektor 26", den brechungsoptischen Schirm 32" zur Ablenkung schräg einfallenden weißen Lichtes zu der überlappenden roten, grünen und blauen Ausgangspupille, und die Anordnung umfaßt die plankonvexe Linse 40, die in gekrümmten Rasterfilter 38' und die plankonvexe Linse 42. Die Krümmungen der betreffenden konkaven und konvexen Oberflächen der Linsen 40 und 42 werden so ausgewählt, daß das Rasterfilter 38' der geeigneten halbzylindrischen Kontur entspricht, um jedes Raster mit der Sichtlinie des Betrachters auszurichten. Der Krümmungsradius R ist in Fig. 7 dargestellt, wobei die Mitte des Zylinders auf der Achse mit dem Filter 38' angeordnet ist und vertikal mit der Sichtposition ausgerichtet ist, an der die optischen Achsen des Rasters zusammenlaufen. Der gesamte Brechungseffekt der komplementären Linsen 40 und 42 ist neutral. Es gibt etwas Absorption, und um die kontrastverbesserten Eigenschaften der Anordnung auszunutzen, können die Linsen 38 und 40 aus einem Material wie etwa optisches Glas BG20 hergestellt sein.
Um bei der Anwendung, bei der der 3M Leitkontrollfilm als Rasterfilter verwendet wird und die Linsen 40 und 42 aus Glas bestehen, die Rasterfilter mit den Linsen 38 und 40 zu verbinden, wird vorzugsweise der polymerisierende Kleber PA-4824 verwendet.
Das Streuhologramm gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungen kann unter Verwendung des in Fig. 10 dargestellten einfachen Belichtungsaufbaues hergestellt werden. Der Belichtungsaufbau umfaßt eine monochromatischen Laser 60, typischerweise einen Argon-Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 514,5 Nanometer erzeugt. Der Laserlichtstrahl 61 wird auf einen Strahlenteiler 62 gerichtet, der den Strahl 61 in zwei Strahlen 61A und 61B aufteilt. Der Strahl 61A wird verwendet, um den Objektstrahl zu erzeugen und wird durch einen Spiegel 63 über ein räumliches Filter 64 und einen Gaußschen Apodizer 66 auf einen Lambertschen oder auf einen Silberhalogenit-Diffuser 68 reflektiert. Der sich ergebende Strahl, der den Diffuser 68 verläßt, ist der Objektstrahl, der auf den holographischen Film auffällt, den der Schirm 32"' umfaßt.
Der Belichtungsreferenzstrahl wird durch den Strahl 61B gebildet, nachdem dieser durch einen Raumfilter 70 und einen Gaußschen Apodizer 72 gelangt ist.
Der von dem Streuschirm reflektierte Lichtstrahl interferiert mit der sphärischen Referenzstrahlwelle, um ein stehendes Wellenmuster zu erzeugen, das auf der Hologrammplatte 32"' aufgezeichnet wird. Bei der Wiedergabe fällt das umgekehrte, nämlich ein konvergierender Strahl auf das Hologramm 32"'auf, das das Licht ablenkt und es auf die wohl definierte Pupille fokussiert. Der allgemeine Entwicklungsprozeß ist dem Fachmann wohl bekannt, wie z.B. im US-Patent 4, 372, 669 auf Spalte 4, Zeile 12 bis Spalte 5, Zeile 5 beschrieben ist.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungen lediglich beispielhaft für die möglichen speziellen Ausführungen sind, die Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung wiederspiegeln. Andere Ausführungen können von den Fachleuten in Übereinstimmung mit diesen Prinzipien ohne weiteres gebildet werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel ist es nicht notwendig, die plankonvexe Linse vor dem Streuschirm zu verwenden, obwohl dies für einen Punktquellen-Projektor einen effizienteren Betrieb unterstützt.

Claims

1. Optische holographische Vorrichtung umfassend:

- ein streuendes holographisches optisches Element (32; 32'; 32"; 32"') umfassend Mittel zur Brechung eines Strahles von weißem Licht, das sich durch das streuende holographische optische Element (32; 32', 32"; 32"') aus einer vorbestimmten Richtung bewegt und auf einen bestimmten Punkt auf dem streuenden holographischen optischen Element schräg zu einer Ausgangspupille einfällt, die angeordnet ist, um im wesentlichen überlappendes rotes, grünes und blaues Licht zu empfangen;

- ein Rasterfilter (38; 38'), das in Bezug auf das streuende holographische optische Element (32, 32' 32"; 32"') so angeordnet ist, daß Licht von dem streuenden holographischen optischen Element schräg auf das Rasterfilter auffällt, wobei das Rasterfilter eine Mehrzahl von transparenten Zellen aufweist, die durch undurchsichtige Raster voneinander getrennt sind;

- gekennzeichnet durch Mittel zum Halten der Zellen (38') derart, daß sie jeweils mit der Sichtlinie zwischen der betreffenden Zelle und der Ausgangspupille ausgerichtet sind, um eine Übertragung des abgelenkten gestreuten Lichtes von dem streuenden holographischen optischen Element durch die Zelle zur Ausgangspupille zu ermöglichen und um das Licht nullter Ordnung abzublocken, das von dem streuenden optischen holographischen Element nicht abgelenkt wird.

2. Optische holographische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rasterfilter (38; 38') ein schräges Rasterfilter ist.

3. Optische holographische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Positionierung des Rasterfilters (38') eine plankonvexe Linse (40) umfaßt, die auf einer ersten Seite des Rasterfilters (38') angeordnet ist, sowie eine zweite plankonvexe Linse (42), die auf einer zweiten Seite des Rasterfilters (38') angeordnet ist, um das Rasterfilter (38') dazwischen zu laminieren.

4. Optische holographische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die plankonvexe Linse (40) und die plankonvexe Linse (42) aus einem absorbierenden Material hergestellt sind und ein Kontrast verstärkendes Filter umfassen.

5. Optische holographische Vorrichtung nach irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine plankonvexe Linse (34; 34'; 34"), die in Bezug auf das streuende holographische optische Element (32; 32'; 32"; 32"') angeordnet ist, um das darauf auffallende Licht zu fokussieren.

6. Optische holographische Vorrichtung nach irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rasterfilter (38') ein flexibles Substrat umfaßt, und daß undurchsichtige Raster (38A') auf dem flexiblen Substrat im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wenn sich das flexible Substrat in einem ebenen Zustand befindet, und daß das optische holographische Gerät ferner ein Mittel zur Beeinflussung des Rasterfilters (38') umfaßt, um eine halbzylindrische Krümmung einzunehmen, die notwendig ist, um die betreffenden undurchsichtigen Raster (38A') mit der Sichtlinie der Pupille an der Ausgangspupille auszurichten.

7. Optische holographische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Substrat lichtdurchlässig ist.