DE69813595T2

DE69813595T2 - Holographische vorrichtung zur formung von lichtstrahlen mit vorherbestimmter spektraler zusammensetzung und ein uber eine solche vorrichtung verfugender projektor von videobildern

Info

Publication number: DE69813595T2
Application number: DE69813595T
Authority: DE
Inventors: Brahim Dahmani; Alexander Galpern; Vitaly I. Sukhanov
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: WO1998035264A2; EP1021745A4; FR2759468B1; DE69813595D1; JP2001511965A; EP1021745B1; FR2759468A1; WO1998035264A3; EP1021745A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine holografische Vorrichtung zur Formung von zumindest einem Lichtstrahl mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung und im Besonderen auf eine solche Vorrichtung, die zur Projektion von Videobildern, die auf einem Matrixbildschirm mit Flüssigkristallzellen dargestellt werden, konstruiert wurde.
Aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Compact Spatio-Chromatic Single-LCD Projection Architecture" von Loiseaux et al. (Veröffentlichung S 7–4 der Konferenz Asia Display 95, die im Jahre 1995 in Hamamatsu (Japan) abgehalten wurde) ist eine solche Vorrichtung bekannt, die eine weise Lichtquelle aufweist, wobei ein Volumenphasenhologramm von dieser Quelle beleuchtet wird. Dieses Hologramm wird in einer solchen Weise aufgezeichnet, um das Licht kontinuierlich vom Roten zum Blauen zu zerstreuen. Der resultierende auf gespreizte Strahl beleuchtet ein Gitter zylindrischer Mikrolinsen mit einer variablen Anstellung, die von der Wellenlänge abhängt. In der Brennpunktebene jeder Mikrolinse wird das Spektrum des eingefallenen Lichts räumlich über drei, diesem gegenüberstehenden Zellspalten aufgespreizt. Das Zerstreuungsvermögen des Hologramms, die Brennweite und der Gitterabstand der Mikrolinsen werden so gewählt, dass die chromatischen Inhalte des Lichts, die jede der drei Zellspalten, die jeder Mikrolinse gegenüber steht, beleuchtet, den roten, grünen bzw. blauen Teilen des Spektrums entspricht. Die Zellen sind Flüssigkristallzellen, die einen Teil des Matrixbildschirmes aus solchen Zellen bilden. Drei Zellen sind mit jedem Bildelement, oder Pixel, eines Abbildes, welches auf dem Bildschirm dargestellt wird, verbunden. Diese steuern die Übertragung oder den Fehler der Übertragung des Lichts, welches von dem Hologramm über ein Objektiv aufgenommen wird, welches ein vergrößertes Abbild des auf dem Bildschirm dargestellten Bildes auf einer undurchsichtigen oder lichtdurchlässigen Beobachtungsoberfläche projiziert. Eine solche Vorrichtung macht es möglich, den Bruchteil des von der Quelle kommenden Lichtes, der von den Zellen des Flüssigkristallbildschirms aufgenommen wird, zu erhöhen und damit auch die Helligkeit des auf die Beobachtungsoberfläche projizierten Lichtes im Vergleich mit der, die mit Projektionsvorrichtungen für Videobilder mit konventionellem Design, welche an dem Flüssigkristallbildschirm befestigte Lichtfiltermatrizen aufweisen, erzielt werden.
Die in der vorher erwähnten Veröffentlichung beschriebene Vorrichtung kann nur mit Flüssigkristallbildschirmen verwendet werden, bei denen die Zellen, die den roten, grünen und blauen Komponenten eines Pixels des Abbildes entsprechen, senkrecht zu der Richtung der Ausrichtung der zylindrischen Mikrolinsen des Gitters ausgerichtet werden. Diese Vorrichtung kann daher nicht verwendet werden, wenn die Zellen eines solchen Triplets zum Beispiel an den Vertikalen einer Triangel, wie es üblicherweise der Fall ist, angeordnet sind.
Ebenfalls bekannt aus der internationalen Patentanmeldung WO 92/09915 ist eine Vorrichtung zur Beleuchtung eines trichromatischen Flüssigkristallbildschirmes zur Projektion eines auf diesen Bildschirm abzubildenden Bildes. Diese Vorrichtung weist drei Prismen und Hologrammanordnungen auf. Die Hologramme werden unter einem Anstellwinkel von 45°, für welche deren Winkeltrennschärfe hoch ist, beleuchtet. Jede der Anordnungen ist mit einer der monochromatischen Komponenten eines Abbildes verbunden, und ein Spiegelsystem beleuchtet den Flüssigkristallbildschirm mit der aus den drei Anordnungen kommenden Strahlung. Das von diesen drei Anordnungen verarbeitete Licht kommt von einer einzelnen Quelle, die einen Strahl mit niedriger Divergenz emittieren muss.
Diese Quelle muss also eine Punktlichtquelle sein, was eine kurze Lebensdauer und eine begrenzte Leistung impliziert. Überdies geht das durch die drei Anordnungen hindurchgehende Licht auch durch zahlreiche Oberflächen hindurch und ist daher Verlusten aufgrund von Reflexionssteuerungen auf den Hologrammen und auf den Vorderseiten der Prismen ausgesetzt. Schließlich ist die beschriebene Anordnung unhandlich und daher schwer in eine für die große Öffentlichkeit bestimmte Projektionsvorrichtung für Videobilder zu integrieren.
Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf, eine holografische Vorrichtung zur Bildung zumindest eines Lichtstrahles mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung herzustellen, die insbesondere dazu konstruiert wurde, um die Projektion trichromatischer, auf einem Matrixbildschirm mit Flüssigkristallzellen dargestellter Bilder zu ermöglichen, so dass diese Vorrichtung nicht die Nachteile der Vorrichtungen des oben beschriebenen Standes Technik aufweist. Um dies zu machen, muss die Vorrichtung in der Lage sein, die Lichtenergie einer echten weisen Lichtquelle, die keine Punktlichtquelle ist, effektiv zu nutzen und muss in einer solchen Weise konstruiert sein, um Lichtverluste durch Reflexion oder Diffusion zu minimieren, während sie einen geringen Platzbedarf aufweist, was es leicht macht, es in einen Videobildprojektor zu integrieren.
Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf, eine solche Vorrichtung, die kompatibel mit einem Matrixbildschirm mit Flüssigkristallzellen ist, herzustellen, bei denen die Zellen, die einem Pixel des Abbildes, welches dargestellt wird, entsprechend, nicht ausgerichtet sind und zum Beispiel an den Vertikalen einer Triangel angeordnet sind.
Diese Ziele der Erfindung, wie auch andere, die sich mit dem Lesen der nachfolgenden Beschreibung zeigen, werden mit einer holografischen Vorrichtung zur Formung zumindest eines Lichtstrahls mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung erreicht. Diese Vorrichtung ist außergewöhnlich in der Tatsache, das sie enthält: a) einen Flachspiegel, der durch benachbarte Bereiche gebildet wird, welche abwechselnd transparent und reflektierend ausgebildet sind, b) zumindest identische erste und zweite Reflexionshologramme, wobei jedes zumindest einen abgelenkten Lichtstrahl mit der spektralen Zusammensetzung liefert, c) eine Lichtquelle zur Beleuchtung der Hologramme bei etwa normaler Anstellung unter Zwischenschaltung des Spiegels.
Die Hologramme sind symmetrisch in Bezug auf die Ebene des Spiegels in einer solchen Weise angeordnet, um durch Zwischenschaltung der transparenten bzw. der reflektierenden Bereich des Spiegels beleuchtet zu werden, und in einer solchen Weise, dass die von den ersten und zweiten Hologrammen abgelenkten Lichtstrahlen von den reflektierenden bzw. transparenten Bereichen des Spiegels reflektiert bzw. weitergeleitet werden, um in einem durchgehenden Lichtstrahl mit der spektralen Zusammensetzung, die sich am Ausgang der Vorrichtung bildet, kombiniert zu werden.
Wie man ferner noch sehen wird, erlaubt einem diese Anordnung die niedrige Winkeltrennschärfe des Reflexionshologramms, insbesondere bei dem normalen Einfall der das Hologramm beleuchtenden Strahlung, vorteilhaft auszunutzen. Diese geringe Trennschärfe erlaubt es einem, die Lichtqualität, die von der durch die Hologramme genutzten Quelle kommt, effektiver zu nutzen, insbesondere, wenn eine solche Quelle ausgedehnt ist, d. h. nicht eine Punktquelle ist.
Entsprechend einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird ein Teil des von der Quelle emittierten Strahls, der von dem Spiegel weitergeleitet oder reflektiert wurde und von dem Hologramm gebeugt wird, von dem Hologramm unter einem Winkel so gebeugt, dass es die Reflexion bzw. Transmission des abgelenkten Strahls von den Flächen des Spiegels, die benachbart sind zu denjenigen, die diesen Teil weitergeleitet bzw. reflektiert haben, sicher stellt.
Gemäß einer ersten Variante formt jedes der Hologramme zumindest zwei abgelenkte Strahlen, von denen jedes eine vorbestimmte spektrale Zusammensetzung aufweist. Die Beugungswinkel der beiden Strahlen sind so ausgebildet, dass die Spuren der zentralen Strahlen dieser Strahlen in der Ebene des Spiegels auf der Achse derselben Fläche des Spiegels angeordnet sind.
Gemäß einer zweiten Variante bildet jedes der Hologramme auch einen dritten abgelenkten Strahl mit einer vorbestimmten spektralen Zusammensetzung aus. Der Beugungswinkel dieses dritten Strahls ist so ausgebildet, dass die Spur seines zentralen Strahls in der Ebene des Spiegels auf der Achse der Spiegelfläche angeordnet ist, die am nächsten ist zu der mit derselben Natur (reflektierend bzw. transparent), die die Spuren der zentralen Strahlen der ersten beiden Strahlen enthält.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann herangezogen werden für einen Projektor von Videobildern, die auf einem Matrixbildschirm, mit Flüssigkristallzellen, die auf einem Gitter optischer Mikrolinsen angebracht sind, dargestellt werden, die, um jeweils zumindest einen Strahl der Strahlung zu fokussieren, mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung auf einer entsprechenden Zelle des Bildschirmes angeordnet sind. Der Projektor weist eine holografische Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Beleuchtung der Linsen des Gitters mit zumindest einem Lichtstrahl mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung auf.
Andere Kennzeichnen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich beim Lesen der folgenden Beschreibung und bei der Durchsicht der beigefügten Zeichnungen, bei denen:
1 eine Kurvendarstellung bezeichnet, die im Falle eines Reflexionshologramms die Schwankungen ihrer Winkeltrennschärfe als eine Funktion des Winkels des Einfalls eines Lichtstrahls, der das Hologramm beleuchtet, verkörpert; diese grafische Darstellung ist zur Erklärung der Funktionsweise der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich.
2 bezeichnet eine grafische Darstellung im axialen Bereich der Vorrichtung gemäß der Erfindung, und
3 bezeichnet eine grafische Darstellung in der Perspektive eines Videobildprojektors, der mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist.
Es wird Bezug genommen auf 1 der beiliegenden Zeichnung, aus der hervorgeht, dass die Winkeltrennschärfe Δθ (Winkeltrennung bezüglich des Bragg-Einfalls, bei dem die Effizienz des Reflexionshologramms auf 50% abgesenkt ist) eine Funktion einerseits des optimalen Einfallwinkels i des das Hologramm beleuchtenden Strahls und andererseits der Dicke des Films, auf welchem das Hologramm aufgezeichnet wird, ist. Aus dieser Kurvendarstellung geht hervor, dass der Winkel Δθ maximal ist, wenn der Strahl senkrecht (i = 0°) auf der Ebene des Hologramms steht. Für ein Hologramm der Dicke 10 μm ist Δθ dann im Bereich von etwa 12°. In der Praxis bedeutet dies, dass Effizienz des Hologramms hoch bleibt, wenn der Einfallwinkel der das Hologramm beleuchtenden Strahlung von der Senkrechten nicht durch einen Winkel größer als 12° abweicht. Man sieht, dass diese Toleranz besonders nützlich ist, wenn, wie es immer der Fall ist, der das Hologramm beleuchtende Strahl von einer reellen, nicht punktuellen Strahlungsquelle kommt und daher eine spürbare Divergenz aufweist.
Bei der Durchsicht der 1 beobachtet man auch, dass, wenn der Einfall des das Hologramm beleuchtenden Strahles stark von der Senkrechten abweicht, der Winkel Δθ sich stark verringert. Mit dem Einfallswinkel i = 45° entsprechend dem, der in der Vorrichtung in der oben genannten Patentanmeldung Nr. WO 92/09915 verwendet wird, ist die Winkeltrennschärfe damit durch einen Winkel Δθ von etwa 2° im Falle eines Hologramms mit einer Dicke von 10 μm gekennzeichnet. Um den Strahlneuaufbau zu formen, ist es bei diesem Einfallswinkel dann erforderlich, eine Quelle zu verwenden, die sehr viel weniger ausgedehnt ist und daher sehr viel weniger wirksam ist, als wenn man mit einem normalen Einfall arbeitet. Die Aufzeichnung der spektralen Trennschärfe des Hologramms als eine Funktion des Einfallswinkels des Strahls zeigt auch, dass es nicht spürbar variiert, wenn man von i = 45° zu einem normalen Einfallswinkel übergeht. Diese Beobachtungen werden in der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet, welche nun unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben wird.
Diese Figur stellt schematisch eine Lichtquelle 1 dar, welche keine punktuelle Quelle sein soll, wobei die von dieser Quelle kommende Strahlung von der Linse 2 gebündelt wird, wobei die Achse 3 des gebündelten Strahls das Reflexionshologramm 4 nach dem Durchgehen zwischen den Flächen 5₁ , 5₂ , etc. in Form von Streifen beleuchtet, welche beidseitig reflektieren und jede zwischen transparenten Flächen 6₁ , 6₂ , etc. in Form von Streifen eines flachen Spiegels, der durch ein transparentes Trageteil, auf welchen die reflektierenden Streifen befestigt sind, ausgebildet ist, eingefügt wurden. Die reflektierenden Streifen können sich auch zwischen zwei transparenten Trageplatten befinden, deren externe Oberflächen eine Antireflexionsbehandlung aufnehmen können. Die Abgrenzungslinien der Streifen 5_i und 6_i sind gerade und senkrecht zu der Ebene aus 2.
Gemäß der Erfindung steht die Oberfläche des Hologramms 4 senkrecht auf der Achse 3 des von der Quelle 1 kommenden Strahls. Das Hologramm 4 wird in einer solchen Weise aufge nommen, dass ein Teil des Lichtstrahls, in diesem Fall in der Form von Teilstrahlen, die durch transparente Streifen 6_i gehen, zu abgelenkten Teilstrahlen führen, welche durch einen Ablenkwinkel θ bezüglich der Senkrechten der Oberfläche des Hologramms geneigt sind. Dieser Winkel θ ist in einer solchen Weise gewählt, dass jeder abgelenkte Teilstrahl von einer Seite eines reflektierenden Streifens 5_i des Spiegels 7 aufgenommen wird, der benachbart zu dem transparenten Streifen 6_i angeordnet ist, durch welchen der Teilstrahl hindurch geht, der auf das Hologramm eingefallen ist, was zu diesem abgelenkten Teilstrahl führt.
Die parallel zu der Richtung der Achse des zentralen Teilstrahls (siehe 2) abgelenkten Teilstrahlen werden dann zurück zu den Streifen 5_i des Spiegels 7 in Richtung 9 gesendet, hin zu einem Verwertungsapparat (nicht dargestellt), zum Beispiel einem Matrixbildschirm mit Flüssigkristallzel- len, wie noch später gezeigt wird.
Es stellt sich nun heraus, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung die folgenden vorteilhaften Kennzeichen aufweist. Einerseits macht es sich die Lichtenergie optimal zu Nutze, die durch eine nichtpunktuelle Quelle 1 aufgrund des senkrechten Einfalls des Strahls 3 auf das Hologramm emittiert wird, aus Gründen, die oben in Verbindung mit 1 erläutert wurden. Andererseits kehrt der Strahl 0-ter Ordnung, der senkrecht von dem Hologramm 4 reflektiert wird, direkt zu der Quelle 1, durch transparente Flächen 6_i des Spiegels 7 in der Form von Streifen zurück, ohne Reflexionsstreuungen dieses Strahls in der Vorrichtung, die den nützlichen Strahl 9 kontaminieren können.
Überdies ist dessen Raumbedarf sehr viel geringer als der einer konventionellen Vorrichtung mit keinem Spiegel 7 in der Form von Streifen. Wenn jemand wünscht, die Vorteile einer niedrigen Winkeltrennschärfe des unter senkrechtem Einfall beleuchteten Hologramms zu bewahren, ist es im letzte ren Fall praktisch nur möglich, einen abgelenkten Strahl 8 zu verwenden, wenn er ausreichend von der Achse 3 divergiert, so dass man an dem Strahl 8 einen Verwertungsapparat, so wie zum Beispiel ein Matrixbildschirm mit Flüssigkristallzellen, anzuordnen. Die Entfernung, die die Quelle 1 von dem Hologramm 3 trennt, muss dann groß sein. Auf Grund des in der Form von Streifen gemäß der Erfindung ausgebildeten Spiegels wird der abgelenkte Strahl zurück in die Richtung der Achse gesendet, wobei er bezüglich der Achse 3 stark geneigt ist. Mit diesem Strahl ist es dann möglich, einen mit Flüssigkristallzellen, die sehr nahe am Spiegel angeordnet sind, ausgestatteten Matrixbildschirm zu beleuchten, da die Entfernung, welche die Quelle 1 und das Hologramm voneinander trennt, reduziert werden kann. Diese beiden Faktoren erlauben einem, eine sehr kompakte Vorrichtung herzustellen, die zum Beispiel kompatibel mit einer Installation in einem Videobildprojektor, der, wie nachfolgend noch ersichtlich ist, für eine größere Öffentlichkeit bestimmt ist, kompatibel ist.
Es ist klar, dass das Hologramm 4 der Vorrichtung der 2 einem erlaubt, lediglich diskontinuierliche, von dem Hologramm 4 abgelenkte Teilstrahlen in die Richtung der Achse 9 zu bilden und zu führen. In verschiedenen Anwendungen und insbesondere in der betreffend die Projektion von Videobildern unter Verwendung eines Matrixbildschirms mit Flüssigkristallzellen ist es erforderlich, einen kontinuierlich abgelenkten Strahl zu haben. Um dies zu erreichen, muss man gemäß der Erfindung ein zum Hologramm 4 identisches zweites Hologramm 4' in der Vorrichtung installieren. Die beiden Hologramme sind in den Ebenen, die symmetrisch bezüglich des streifenförmigen Spiegels 7 sind, angeordnet. Die Kante des Dihedron, welche von den Ebenen dieser Hologramme begrenzt wird, ist parallel zu den Begrenzungslinien der transparenten und reflektierenden Streifen des Spiegels angeordnet. Wie in 2 dargestellt, wird somit der Teil des Strahls 3, der das Hologramm 4 nicht beleuchtet, von den Streifen 5_i hin zu dem Hologramm 4' in Richtung 10 reflektiert. Das Hologramm 4' wiederum emittiert die abgelenkten Teilstrahlen in die Richtung 11. Diese abgelenkten Teilstrahlen gehen durch die transparenten Streifen 6_i des Spiegels hindurch, um die Zwischenräume zwischen den reflektierten Teilstrahlen in Richtung 9, parallel zu der Richtung 11 auszufüllen. Man sieht, dass in dieser Weise der ablenkte Lichtstrahl, der die Vorrichtung verlässt, vollständig kontinuierlich ist und überall dieselbe vorbestimmte spektrale Zusammensetzung aufweist.
In 2 ist der Spiegel 7 bezüglich der Achse 3 des von der Quelle 1 kommenden Strahls 45° geneigt dargestellt. Die Hologramme 4 und 4' sind dann in den Ebenen senkrecht zueinander angeordnet. Es ist jedoch klar, dass der Neigungswinkel β des Spiegels 7 bezüglich der Achse 3 verschieden von 45° sein könnte, solange der Bedingung eines senkrechten Einfalls der von der Quelle 1 kommenden Strahlen auf die Hologramme 4, 4' nachgekommen wird.
Aus 2 geht hervor, dass die Entfernung, die entlang eines Strahls gemessen wird, der von einem der Hologramme 4, 4' zwischen seinem Emissionspunkt auf dem Hologramm und seinem Reflexions- oder Transmissionspunkt auf dem Spiegel 7 abgelenkt wird, in dem Querschnitt eines Strahls, der durch die Ebene der Figur abgelenkt, variiert. Folglich kann die Weite der Streifen 5i und 6i nicht konstant sein, wobei die Konstanz des Beugungswinkels θ in Betracht gezogen ist. Es wurde dargelegt, dass die Weiten l(5_i) und l(6_i) der Streifen 5_i und 6_i durch folgende Gleichungen gegeben werden:

wobei L₀ die maximale Entfernung ist, die den Spiegel von jedem der Hologramme trennt, i ist der Index des in Betracht gezogenen Streifens, welcher in den Inkrementen der Streifen 5₀ und 6₀ , die sich in einer Entfernung L₀ von den Hologrammen befinden, angehoben werden, θ ist der Beugungswinkel, der in der Projektion der Ebene der Figur gemessen wird, und β ist der Anstellwinkel des Strahls 1 auf den Spiegel 7, der gleich zu der Neigung dieses Spiegels bezüglich der Achse dieses Strahls ist.
Die oben beschriebene Vorrichtung erlaubt einem, verschiedene Lichtstrahlen unterschiedlicher spektraler Zusammensetzungen zu bilden, zum Beispiel Strahlen mit rotem, grünen und blauem Licht, welche in der Anwendung, welche in Verbindung mit 3 erwähnt wird, verwendet werden kann. Um dies zu tun, kann die Quelle 1 weißes Licht emittieren und die Hologramme 4, 4' können in einer solchen Weise aufgenommen werden, um dieses Licht zum Beispiel gemäß drei Strahlen mit rotem, grünen und blauem Licht abzulenken. Diese Strahlen werden in Richtungen abgelenkt, die im Falle einer Projektion in der Ebene der Figur übereinstimmen, die aber im Falle einer Projektion in der Ebene senkrecht zu der der Figur (zum Beispiel der des Spiegels 7) divergieren. Man sieht, dass die Teilstrahlen der drei Farben durch dieselben Streifen des Spiegels 7 reflektiert werden oder hindurchgehen. Falls somit drei Ausgangsstrahlen mit coplanaren Achsen erlangt werden, ist es möglich, die Zellen des Flüssigkristallmatrixbildschirmes richtig zu beleuchten, bei denen ein Bildpixel aus drei ausgerichteten Zellen besteht, die entsprechend die Transmission der roten, grünen bzw. blauen Beleuchtung hin zu der Projektionsoberfläche eines vergrößerten Bildes von den, welches durch den Bildschirm mit Flüssigkristallzellen getragen wird, steuert.
Jedoch ist diese Anordnung der Strahlen nicht länger geeignet, wenn die Zellen nicht länger ausgerichtet sind, sondern zum Beispiel an den Vertikalen einer Triangel gemäß einer als "Δ" bezeichneten Konfiguration angeordnet sind. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann zur Beleuchtung der gemäß dieser Konfiguration angeordneten Bildschirmzellen angepasst werden, wie in Verbindung mit der 3 erläutert wird, welche den optischen Teil eines Projektors von farbigen Videobildern darstellt, welche auf einem Bildschirm mit Flüssigkristallzellen gezeigt werden. Der Projektor ist unter mit Einbeziehung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung verbessert.
Der Projektor der 3 schließt im wesentlichen einen Matrixbildschirm 12 mit Flüssigkristallzellen ein, welcher an ein Gitter 13 mit Mikrolinsen 14_ij, die zum Fokussieren von Lichtstrahlen 16_R , 16_V , 16_B bestimmt sind, welche an entsprechenden Zellen des Bildschirms 12 rot, grün bzw. blau sind. Drei Flüssigkristallzellen, so zum Beispiel 15_R , 15_V , 15_B , die zusammen in einer Δ-Konfiguration gruppiert sind, definieren ein Farbbildelement (Pixel). Diese Zellen steuern selektiv das Durchgehen der Lichtstrahlen 16_R , 16_V , 16_B durch diese bzw. zu dem Objektiv 17 zur Projektion des von dem Bildschirm 12 auf eine undurchsichtige oder lichtdurchlässige Oberfläche (nicht dargestellt) übermittelten Lichts, wo das vergrößerte Abbild ausbildet ist, welches von dem Nutzer des Projektors beobachtet wird.
Dieser Projektor ist ausgestattet mit einer Vorrichtung zur Bildung dreier Strahlen mit roter, grüner und blauer Strahlung gemäß der Erfindung, bei der man eine Lichtquelle 1, ein Hologramm 4 und 4' und einen Spiegel 7 der Vorrichtung aus 2 findet. An dem Spiegel 7 der 3 ist die Veränderung der Weite der Spiegelstreifen 5_i und 6_i schematisch gezeigt. Die Weite wird fortschreitend verringert, wenn man sich über den Spiegel hin zu den Flächen dessen bewegt, die am nächsten zu den Hologrammen 4, 4' angeordnet sind, gemäß den oben angegebenen Gleichungen.
Wie zum Beispiel für die Zellen 15_R , 15_V , 15_B in 3 schematisch dargestellt ist, stellt sich heraus, dass die Mikrolinse 14₁₁ des Gitters 13 Lichtstrahlen 16_R , 16_V , 16_B auf die Zellen 15_R , 15_V bzw. 15_B fokussiert. Die Achsen der Strahlen 16_R und 16_V befinden sich in derselben Ebene, die denselben Streifen 5₂ des Spiegels abschneidet, während der Strahl 16_B von dem Streifen 5₁ derselben Natur und am nächsten zum Streifen 5₂ kommt. Transparente Streifen 6_i spielen offensichtlich dieselbe Rolle wie reflektierende Streifen 5_i wie in der Figur in Verbindung mit der Mikrolinse 14₁₄ des Gitters 13 dargestellt ist. Dieses Ergebnis wird auf einfache Weise erlangt, indem dem Beugungswinkel θ₁ (siehe 2) des von den Hologrammen 4, 4' zurück gesendeten blauen Lichtes ein unterschiedlicher Wert gegeben wird, wie der, der den Beugungswinkeln der roten und grünen abgelenkten Strahlen gegeben wird, so dass der Strahl 16_B zum Beispiel auf den Streifen 5₁ reflektiert wird, während die Strahlen 16_R , 16_V auf den Streifen 5₂ reflektiert werden. Sieht man somit dies in dieser Weise, dann fokussiert eine gleiche Mikrolinse 14₁₁ zum Beispiel rote, grüne und blaue Lichtstrahlen auf drei, in Δ-Konfiguration angeordnete Zellen 15_R , 15_V , 15_B , wie in 3 dargestellt ist. Darin liegt ein wichtiger Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung gegenüber der in der oben erwähnten Veröffentlichung der Konferenz Asia Display 95 beschriebenen Vorrichtung, welche nur mit Matrixbildschirmen verwendet werden kann, bei welchen die Zellen korrespondierend zu demselben Abbildungselement in einer Linie angeordnet sind. Diese Anordnung ist überdies kompatibel mit anderen Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie oben ersichtlich ist.
Die oben gegebenen Formeln zeigen, dass die Weite l(5_i) oder l(6_i) der Streifen des Spiegels 7 eine Funktion des Beugungswinkels ist. Wenn man zumindest zwei Werte dieses Winkels verwendet, wie es der Fall ist, wenn die Zellen in einer Δ-Konfiguration angeordnet sind, ergeben die Berechnungen dann zwei Werte der Weiten für jeden Streifen des Spiegels. Für diesen Streifen wird man einen mittleren Wert zwischen den beiden berechneten Werten wählen, um einen minimalen Verschleiß der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu gewährleisten.
Es stellt sich nun heraus, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Vorteile, nach denen gesucht wurde, bereitstellt, nämlich effektive Nutzung der Lichtenergie, die von einer ausgedehnten Quelle emittiert wird, die als nichtpunktuelle Quelle bezeichnet ist, große Kompaktheit, welche seine Fähigkeit mit Videobildprojektoren, die besonders für die große Öffentlichkeit bestimmt sind, gewährleistet, und Eliminierung des Streulichtes aufgrund von Strahlungen 0-ter Ordnung des verwendeten Hologramms durch direktes Zurücksenden dieses Lichtes in die Quelle. Überdies hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung, welche die konventionell für die spektrale Trennung des Lichts durch die Zellen eines Matrixbildschirmes verwendeten Filtergitter eliminiert, eine hohe Lichteffizienz, welche die Bildung heller und gesättigter Farbvideobilder unter Verwendung eines mit dieser Vorrichtung ausgestatteten Projektors sicherstellt.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, welche lediglich als Beispiele angegeben wurden. Somit kann der Streifenförmige Spiegel ersetzt werden durch einen Spiegel mit zwei Einteilungen von transparenten bzw. reflektierenden Flächen, die ziegeldachförmig zusammen sind gemäß einer Ausbildung eines karierten Brettes entsprechend dem Querschnitt mit der in 2 dargestellten Anordnung. Diese Spiegelflächen in der Form von Streifen und die oben beschriebenen Teilstrahlen stehen dann diskontinuierlich senkrecht zu der Ebene von 2 mit Modifikationen derer Eigenschaften und deren Dimensionierung, wenn sie in der Ebene der Figur dargestellt sind.
Man kann sich zum Beispiel auch die hohe spektrale Trennschärfe des Hologramms der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die möglich ist, und die niedrige Winkeltrennschärfe dieser Hologramm zunutze machen, um ein Lichtsignal, welches von einer fernen und mobilen Quelle sowie ein auf einem Satelliten befestigter Laserstrahlungsreflektor zu sammeln und zu bearbeiten.

Claims

Holographische Vorrichtung zur Formung von zumindest einem Lichtstrahl mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung, wobei die Vorrichtung enthält: a) einen Flachspiegel (7), der durch benachbarte Bereiche gebildet wird, welche abwechselnd transparent (6_i) und reflektierend (5_i) ausgebildet sind, b) zumindest identische erste (4) und zweite (4') Reflexionshologramme, wobei jedes zumindest einen abgelenkten Lichtstrahl mit der spektralen Zusammensetzung liefert, c) eine Lichtquelle (1) zur Beleuchtung der Hologramme (4, 4') bei etwa normaler Anstellung durch Zwischenschaltung des Spiegels (7), wobei die Hologramme (4, 4') symmetrisch in Bezug auf die Ebene des Spiegels (7) in einer solchen Weise angeordnet sind, um durch Zwischenschaltung der transparenten (6_i) bzw. der reflektierenden (5_i) Bereiche des Spiegels (7) beleuchtet zu werden und in einer solchen Weise, dass die Lichtstrahlen, die von den ersten (4) und zweiten (4') Hologrammen von den reflektierenden (5_i) bzw. transparenten (6_i) Bereichen des Spiegels (7) reflektiert bzw. weitergeleitet werden, um in einem durchgehenden Lichtstrahl mit der spektralen Zusammensetzung kombiniert zu werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Bereiche des Spiegels (7) die Form von Streifen (5_i, 6_i) mit Begren zungslinien, die gerade und parallel zu der Dieder-Kante verlaufen, welche durch die Ebenen des Hologramms (4, 4') begrenzt wird, aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die transparenten und reflektierenden Bereiche ziegeldachförmig in Form eines karierten Brettes ausgebildet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Spiegel (7) bezüglich der Achse des Lichtstrahls geneigt ist, die von der Quelle (1) über einen Winkel (β) so emittiert wird, dass der die Vorrichtung verlassende Lichtstrahl mit der spektralen Zusammensetzung nennenswert bezüglich der Achse des Strahls, der von der Quelle (1) emittiert wird, geneigt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Linse (2) zum Bündeln des aus der Quelle (1) kommenden Lichts.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der ein Teil des von der Quelle (1) emittierten Strahls, der von dem Spiegel (7) weitergeleitet oder reflektiert wurde, von dem Hologramm (4, 4') gebeugt wird, das ihn unter einem Winkel (θ) so beleuchtet, dass er von Bereichen (5_i, 6_i) des Spiegels (7), die benachbart sind zu dem, der den Teil weitergeleitet oder reflektiert hat, abgelenkt bzw. weitergeleitet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei dem jedes der Hologramme (4, 4') zumindest zwei abgelenkte Strahlen ausbildet, von denen jedes eine vorbestimmte spektrale Zusammensetzung aufweist, wobei die Beugungswinkel der beiden Strahlen so ausgebildet sind, dass die Spuren der zentralen Strahlen dieser Strahlen in der Ebene des Spiegels (7) auf der Achse desselben Bereichs des Spiegels angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der jedes der Hologramme (4, 4') auch einen dritten abgelenkten Strahl mit einer vorherbestimmten spektralen Zusammensetzung ausbildet, wobei der Beugungswinkel (θ₁ ) dieses dritten Strahls so ausgebildet ist, dass die Spur seines zentralen Strahls in der Ebene des Spiegels (7) auf der Achse des Spiegelbereichs angeordnet ist, der am nächsten ist zu dem mit derselben Natur, die die Spuren der zentralen Strahlen der ersten beiden Strahlen enthält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die reflektierenden (5_i) und transparenten (6_i) Streifen des Spiegels (7) Weiten l(5_i) und l(6_i) aufweisen, bei denen gilt:
wobei L₀ die maximale Entfernung ist, die den Spiegel (7) von jedem der Hologramme trennt, i ist der Index des in Betracht gezogenen Streifen, welcher in den Inkrementen der Streifen (5₀ ) und (6₀ ), die sich in einer Entfernung L₀ von den Hologrammen befinden, ansteigt, θ ist der Beugungswinkel, gemessen in der Projektion der Ebene senkrecht zu der des Spiegels (7), und β ist der Anstellwinkel der Quelle (1) auf diesen Spiegel (7).
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die reflektierenden (5₁ ) und transparenten (6₁ ) Streifen des Spiegels (7) mittlere Weiten l(5_i) und l(6_i) zwischen denen aufweisen, die durch die Gleichungen des Anspruch 7 für die Winkel (θ) bzw. (θ₁ ) gegeben sind.
Projektor von Videobildern, die auf einem Matrixbildschirm (12) dargestellt werden sollen, mit Flüssigkristallzellen (15_R , 15_V , 15_B ), die auf einem Gitter (13) optischer Mikrolinsen angebracht sind, die, um jeweils zumindest einen Strahl der Strahlung (16_R , 16_V , 16_B ) zu fokussieren, mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung auf entsprechenden Zellen (15_R , 15_V , 15_B ) des Bildschirms (12) angeordnet sind, bei dem der Projektor eine holographische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Beleuchtung der Linsen (14_ij) des Gitters mit zumindest einem Lichtstrahl mit vorbestimmter spektraler Zusammensetzung aufweist.
Projektor gemäß Anspruch 11, bei dem der Matrixbildschirm (12) aus Gruppen ausgerichteter Zellen (15_R , 15_V , 15_B ) besteht, wobei jede Gruppe einem Bildelement des Bildes, welches auf dem Bildschirm dargestellt wird, entspricht.
Projektor gemäß Anspruch 11, bei dem der Matrixbildschirm (12) aus Gruppen nicht ausgerichteter Zellen (15_R , 15_V , 15_B ) besteht, wobei jede Gruppe einem Bildelement des Bildes, welches auf dem Bildschirm dargestellt wird, entspricht.
Projektor gemäß Anspruch 11, bei dem die Zellen (15_R , 15_V , 15_B ) jeder Gruppe in einer „Δ"-Konfiguration angeordnet sind.
Projektor gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die holographische Vorrichtung drei Strahlen mit roter, grüner bzw. blauer Strahlung ausbildet.