DE69912759T2

DE69912759T2 - Optische holographische Vorrichtung

Info

Publication number: DE69912759T2
Application number: DE69912759T
Authority: DE
Inventors: Yaakov Amitai; Asher Friesem
Original assignee: ELOP Electro Optics Industries Ltd; Yeda Research and Development Co Ltd
Current assignee: ELOP Electro Optics Industries Ltd; Yeda Research and Development Co Ltd
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: ATE254291T1; CA2326767A1; CA2326767C; US6580529B1; EP1068548B1; WO1999052002A1; AU3052499A; DE69912759D1; EP1068548A1

Description

Die Erfindung betrifft holographische optische Bauteile und insbesondere Bauteile, die eine Vielzahl von holographischen optischen Elementen (HOEs) enthält, die von einem herkömmlichen lichtdurchlässigen Substrat getragen werden.
Eine der wichtigen Anwendungen für HOEs besteht in Visieranzeigen, bei der ein HOE als Abbildungslinse und als Kombinator dient, wobei eine zweidimensionale, quasi monochromatische Anzeige in die Unendlichkeit abgebildet und in das Auge eines Betrachters abgebildet wird. Die Anzeige kann direkt erhalten werden, entweder von einer Kathodenstrahlröhre (CRT) oder von einer Flüssigkristallanzeige; oder indirekt, mittels einer Übertragungslinse oder eines optischen Faserbündels. Typischerweise besteht die Anzeige aus einem Punktgitter, dessen Geometrie von der abweicht, die zur Aufnahme des HOE verwendet wird. Im Ergebnis beinhaltet die abgebildete Anzeige Aberrationen, welche die Abbildungsqualität vermindern. Für gewöhnlich nimmt der Betrag der Aberration zu, sowie der Versetzungswinkel zur Aufnahme des HOE größer wird. Ein anderes Problem, das für gewöhnlich allen Typen von holographischen optischen Elementen gemeinsam ist, ist ihre vergleichsweise große chromatische Dispersion. Das ist ein Hauptnachteil bei Anwendungen, bei denen die Lichtquelle eine CRT ist, die nicht rein monochromatisch ist.
Kürzlich wurden verschiedene neue Entwürfe zur Verbesserung der Leistung von HOEs vorgeschlagen. Diese Entwürfe, die sich für gewöhnlich mit einzelnen HOEs beschäftigen, kompensieren die geometrischen und chromatischen Aberrationen durch Verwendung nicht sphärischer Wellen anstelle einfacher sphärischer Wellen bei der Aufnahme; sie überwinden allerdings nicht das Problem der chromatischen Dispersion. Darüber hinaus sind die optischen Gesamtsysteme, die diese HOEs enthalten, mit diesen Entwürfen für gewöhnlich sehr kompliziert und schwierig herzustellen. Des Weiteren ist der Augenbewegungskasten der optischen Sichtwinkel, der aus diesen Entwürfen resultiert, sehr klein, typischerweise kleiner als 10 mm. Folglich ist die Leistung des optischen Systems sehr sensitiv, auch gegenüber kleiner Bewegungen des Visiers relativ zum Auge des Betrachters.
Die vorliegende Erfindung kann zum Entwerfen und zum Aufzeichnen von HOEs für Visieranzeigen verwendet werden, bei denen sowohl die Aberrationen und die chromatischen Dispersionen minimiert sind. Zusätzlich ist der Augenbewegungskasten des optischen Systems vergleichsweise groß und kann sich deshalb großen Bewegungen des Visiers anpassen. Das HOE der Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil es sehr kompakt ist und leicht eingebaut werde kann, auch in optische Systeme, die einen speziellen Aufbau aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht zudem die Konstruktion verbesserter hologaphischer Anzeigen. Seit seinem Beginn vor drei Jahrzehnten hat ein beträchtlicher Fortschritt auf dem Gebiet der Anzeige-Holographie stattgefunden. Tatsächlich ist es so populär geworden, dass es nun eine wichtige Rolle in der Werbung, beim Verpacken und sogar in der Kunst spielt. Noch weisen die herkömmlichen Formen von Anzeigehologrammen einige schwerwiegende Nachteile auf. Die Notwendigkeit, eine Leselichtquelle zu verwenden, die in einiger Entfernung vom Hologramm angeordnet sein muss, macht Anzeigesysteme sperrig, Platz raubend und manchmal unhandlich zu verwenden. Ein anderer Nachteil ist der, dass der durchgelassene Teil der Lesewelle, der nicht von den Hologrammen gebeugt wird, für gewöhnlich den Betrachter stört.
Eine andere wichtige Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer kompakten holographischen Anzeige, die die obigen Nachteile überwindet. Die holographische Anzeige der Erfindung kann mit einer kompakten Lichtquelle beleuchtet werden, die am holographischen Substrat angebracht ist, und zwar lotrecht zum kleinsten HOE, das auf dem Substrat aufgezeichnet ist. Die chromatische Dispersion dieser Anzeige ist vergleichsweise klein und die Lichtquelle kann ein breites Spektrum aufweisen, auch wie eine herkömmliche Weißlichtquelle.
Zusätzlich kann die Fläche der Anzeige viel größer sein als die Fläche, die momentan von der Lichtquelle beleuchtet wird.
Eine weitere Anwendung der Erfindung stellt einen kompakten Strahlenaufweiter bereit. Strahlenaufweiter zum Vergrößern eines schmalen, gebündelten Strahls in einen Strahl mit einem größeren Durchmesser umfassen typischerweise eine Teleskopanordnung aus zwei Linsen entlang einer gemeinsamen Achse mit einem gemeinsamen Brennpunkt. Bei der Verwendung von polychromatischem Licht, beispielsweise weißem Licht, werden im Allgemeinen Refraktionslinsen benötigt. Bei der Verwendung von monochromatischem Licht, wie etwa von Lasern oder anderen monochromatischen Lichtquellen, kann es jedoch vorteilhaft sein, holographische Linsen zu benutzen. Die vorliegende Erfindung stellt einen Strahlenaufweiter bereit, der mit monochromatischem Licht sowie mit polychromatischem Licht benutzt werden kann.
Es ist deshalb eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, kompakte holographische Vorrichtungen bereitzustellen, bei denen die Leselichtquelle nicht in einigem Abstand vom Hologramm angeordnet sein muss, um die gesamte Oberfläche zu beleuchten, und die Lichtquelle kann von einer Weißlichtquelle aufgebaut werden.
Die vorliegende Erfindung wird in Anspruch 1 definiert. Kurz gesagt, es wird eine holographische optische Vorrichtung bereitgestellt, die ein lichtdurchlässiges Substrat umfasst; ferner ein erstes holographisches optisches Element, das von dem Substrat getragen wird; ferner wenigstens ein zweites holographisches optisches Element, das seitlich vom ersten holographischen optischen Element vom Substrat getragen wird, und wenigstens ein drittes holographisches optisches Element, das seitlich verschoben vom ersten und vom zweiten holographischen optischen Element vom Substrat getragen wird; wobei das Zentrum des wenigstens einen ersten, zweiten oder dritten holographischen optischen Elements außerhalb einer einzelnen, geraden Linie angeordnet ist und wobei die seitlichen Dimensionen der Fläche des dritten holographischen optischen Elements größer sind, als die seitlichen Dimensionen der Fläche des ersten holographischen optischen Elements.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die folgenden illustrierenden Figuren beschrieben werden, so dass es besser verstanden werden kann.
Unter besonderer Bezugnahme auf die Figuren in Detail, wird betont, dass die Einzelheiten lediglich beispielhaft und zum Zweck der anschaulichen Diskussion des bevorzugten Ausführungsbeispiels gezeigt sind und für den Fall gezeigt sind, dass das bereitgestellt wird, was als die sinnvollste und am leichtesten verständliche Beschreibung der Prinzipien und konzeptuellen Gesichtspunkte der Erfindung angesehen wird. In diesem Zusammenhang wird nicht versucht, strukturelle Details der Erfindung detaillierter zu zeigen, als es für ein grundlegendes Verständnis der Erfindung notwendig ist, wobei die Beschreibung zusammengenommen mit der Zeichnung dem Fachmann sichtbar macht, wie die verschiedenen Formen der Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
Bei der Zeichnung ist:
1 ein Diagramm, das das neuartige System der vorliegenden Erfindung erläutert, die dessen Draufsicht zeigt;
2 eine Kurve, die die Intensität der Ausgangswellen, die Beugungseffektivität des Hologramms und die Energiemenge, die im Hologramm verbleibt, als Funktion des Fortpflanzungsabstands innerhalb des Hologramms längs der ξ-Achse veranschaulicht;
3 eine diagrammatische Darstellung des schematischen Verhaltens der optischen Welle entlang der Fortpflanzungsachse;
4 eine dreidimensionale Ansicht, die diagrammatisch das ebene System veranschaulicht, bei dem die gebeugte Welle zuerst entlang der ξ-Achse und dann entlang der η-Achse aufgeweitet wird;
5 eine Seitenansicht, die diagrammatisch eine holographische Visieranzeige veranschaulicht, die auf einer ebenen Konfiguration basiert;
6 eine Seitenansicht, die diagrammatisch eine dreidimensionale holographische Anzeige veranschaulicht, die auf einer ebenen Optik basiert;
7 eine Draufsicht, die diagrammatisch eine dreidimensionale holographische Anzeige veranschaulicht, die auf einer ebenen Optik basiert; und
8 eine Draufsicht, die diagrammatisch einen kompakten Strahlenaufweiter veranschaulicht, basierend auf einer ebenen Optik.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung veranschaulicht 1 eine Draufsicht des ebenen optischen Aufbaus der Erfindung. Das erste HOE H₁ wird von einer (nicht gezeigten) Lichtquelle beleuchtet, die hinter dem Element angeordnet ist. HOE H₁ bündelt das einfallende Licht von der Lichtquelle, wenn die Lichtquelle nicht bereits gebündelt ist, und beugt es derart, dass das Licht innerhalb dessen Substrats durch Totalreflexion eingefangen wird. Nimmt man an, dass die Zentralwelle der Quelle normalerweise auf H₁ einfällt, der Winkel der innerhalb des Substrats gebeugten Welle aus der Achse α ist und die Projektion der gebeugten Welle auf die Substratoberfläche entlang der ξ-Achse verläuft, dann lautet die Gitterfunktion von H₁
wobei:
ν der Brechungsindex des Substrats ist und
λ die Wellenlänge der gebeugten Welle ist.
Das HOE H₁ weist eine hohe Beugungseffektivität auf, so dass der größte Teil der Energie der hereinkommenden Welle in das Substrat hinein gekoppelt wird.
Nach wenigen Reflexionen innerhalb des Substrats erreichen die eingefangenen Wellen ein zweites HOE H₂, das die folgenden Merkmale aufweist: entlang der Achse η, die lotrecht zur Achse der Fortpflanzungsrichtung ξ ist, weist H₂ die gleiche seitliche Dimension W₁ wie H₁ auf; entlang der Achse ξ weist H₂ eine seitliche Dimension W₂ auf, die beträchtlich größer als W₁ ist, während das exakte Verhältnis zwischen den zwei Dimensionen gemäß der gewünschten Vergrößerung des Systems festgelegt wird. Die Beugungseffektivität von H₂ ist keine Konstante, sondern nimmt graduell entlang der ξ-Achse derart zu, so dass während jedem Kontakt mit H₂ nur ein Teil der Energie der eingefangenen optischen Wellen von H₂ gebeugt wird. Wie es in 2 gezeigt ist, muss das HOE H₂ im Substrat so ausgeführt werden, dass seine lokalisierte Beugungseffektivität nichtlinear mit dem Fortpflanzungsabstand zunehmen wird und zu einer gleichförmigen Intensität des Ausgangsstrahls führt. Die zentrale Welle von H₂ ist immer noch im Winkel α orientiert, aber die Fortpflanzungsrichtung der Welle wird so geändert, dass sie entlang der η-Achse verläuft. Daher lautet die Gitterfunktion von H₂
wobei
m ≡ ν sin α.
Die Gitterfunktion von Gleichung 2 kann durch Aufzeichnen des Interferenzmusters von zwei interferierender ebener Wellen erreicht werden, die in Winkeln von ± α' in Bezug auf das Lot zum Aufzeichnungsmedium orientiert sind, wobei sin α' = √2/2 sin α und die Projektion der Aufzeichnungswellen auf dem Substrat entlang der Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den Achsen ξ und η verläuft. Der Zweck von HOE H₂ ist, den Durchmesser der hereinkommenden ebenen Wellen um einen Faktor von W₂/W₁ entlang der ξ-Achse zu vergrößern.
Die von H₂ gebeugten optischen Wellen werden im Substrat eingefangen und pflanzen sich zum dritten HOE H₃ hin weiter, das die außerhalb vom Substrat eingefangenen Wellen koppelt. HOE H₃ weist in beiden Achsen die seitlichen Dimensionen W₂ auf. Vergleichbar dem zweiten HOE H₂ verändert sich die Beugungseffektivität von H₃ ebenfalls graduell, aber entlang der η-Achse. 3 veranschaulicht schematisch, wie eine Ausgangswelle mit einer gleichmäßigen Intensität entlang HOE H₃ verteilt wird. H₃ beugt die eingefangenen Wellen in eine Richtung senkrecht zur Substratoberfläche. Im speziellen Beispiel, das in 3 angegeben ist, wird die Lichtenergie der hereinkommenden Welle nach und nach vermindert, während die Intensität der Ausgangswelle über die gesamte Fläche von HOE H₃ konstant gehalten wird. Bei anderen Anwendungen kann die Beugungseffektivität des HOE H₃ örtlich variiert sein, um Ausgangswellen mit anderen vorgegebenen Intensitäten zu erhalten, die nicht notwendigerweise konstant sind. Die Gitterfunktion von HOE H₃ ist
Vergleichbar mit H₂ vergrößert HOE H₃ ebenfalls den Durchmesser der hereinkommenden Wellen um den Faktor von W₂/W₁ nur entlang der η-Achse. Demgemäß vergrößert die Kombination der drei HOEs den Durchmesser der einfallenden ebenen Wellen um den Faktor von W₂/W₁ in beiden Achsen.
Folglich liefern die Gleichungen 1 bis 3: Φ1 + Φ2 + Φ3 = 0 (4).
Gleichung 4 ist für alle Wellenlängen gültig. Deshalb wird der im Ganzen ebene Aufbau zu keiner chromatischen Dispersion führen und er ist demzufolge für polychromatische Lichtquellen geeignet.
4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des im Ganzen ebenen Aufbaus. Wie es gezeigt ist, treten die Ausgangswellen in der gleichen Richtung wie die hereinkommenden Wellen aus. Es ist jedoch auch möglich, das HOE H₃ so aufzunehmen, dass die Ausgangswelle in der entgegengesetzten Richtung zu der der hereinkommenden Wellen austritt.
Wie es vorhin hierin erwähnt wurde, ist eine wichtige Anwendung der Erfindung die Verwendung der Vorrichtung als holographische Visieranzeige. Bei einer solchen Anwendung bündelt das erste HOE die Wellen eines jeden Datenpunkts in einer Anzeige in ebenen Wellen, wenn sie nicht bereits gebündelt sind, und beugt sie in einem solchen Winkel, dass sie innerhalb des Substrats durch innere Totalreflexion eingefangen werden. Das zweite HOE weitet den Durchmesser der eingefangenen Wellen in einer Dimension auf und das dritte HOE weitet den Durchmesser der eingefangenen Wellen in einer anderen Dimension auf und beugt die aufgeweiteten ebenen Wellen zum Auge eines Betrachters hin.
Bei weiteren beschriebenen Anwendungen der Erfindung ist das erste HOE so aufgebaut, dass es einen Eingangslichtstrahl derart in eine auseinander laufende sphärische Welle mit einem großen Winkel aus der Achse umwandelt, dass sich die Welle durch Totalreflexion zum zweiten HOE fortpflanzt und dann zu einer abweichenden Richtung zum dritten HOE hin beugt. Sie wird dann mittels des dritten HOE gebeugt, um aus dem Substrat auszutreten. Bei einer solchen Anwendung ist das dritte HOE ein Anzeigehologramm, das vom Licht ausgelesen wird, das vom zweiten HOE eintrifft, so dass ein dreidimensionales Bild gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung können die drei HOEs so aufgenommen sein, dass die seitlichen Dimensionen des aus dem dritten HOE austretenden Ausgangslichtstrahls wesentlich größer sind als die seitlichen Dimensionen des Eingangslichtstrahls, der in das erste HOE eintritt, wodurch ein Srahlenaufweiter bereitgestellt wird, der sowohl mit monochromatischem als auch mit polychromatischem Licht verwendet werden kann.
5 veranschaulicht eine kompakte holographische Visieranzeigekonfiguration, die erfindungsgemäß aufgebaut ist. Der veranschaulichte Aufbau ist aus drei HOEs zusammengesetzt, wobei davon H₁ das kleinste ist, auf welches das Licht von der Eingangsanzeige 2 eingestrahlt wird. H₁ koppelt das Licht von der Eingangsanzeige, wahlweise über eine Kollimationslinse 4, in ein Substrat 6, beispielsweise ein Glassubstrat, und weitet die Lichtverteilung in einer Richtung auf. Das zweite HOE H₂ weitet die Lichtverteilung in der anderen Richtung auf und das dritte HOE H₃ koppelt dann das Licht vom Substrat 6 nach außen.
Die zweidimensionale Eingangsanzeige 2 ist in einem Abstand R_d vom Zentrum von H₁ angeordnet, wobei R_d die Brennweite von H₁ ist. Das Licht von der Anzeige 2 wird demgemäß in ein Winkelspektrum von ebenen Wellenfronten umgewandelt, entweder durch H₁, wobei die Gitterfunktion von H₁ diejenige ist, die oben in Gleichung 1 definiert wurde, plus die Funktion einer korrigierten Kollimationslinse, oder durch die äußere Kollimationslinse 4, die zwischen der Anzeige 2 und H₁ angeordnet ist, wobei H₁ ein lineares Gitter ist, wie es in Gleichung 1 definiert ist. Licht von einem jeden Punkt der Anzeige läuft auseinander, wird gebündelt, um eine ebene Welle zu bilden, und wird in einem Winkel α(ξ) innerhalb des Substrats gebeugt, wobei ξ die seitliche Koordinate von H₁ ist. Um sicherzustellen, dass all die gebeugten Wellen innerhalb des Substrats durch innere Totalreflexion eingefangen werden, muss α(ξ) die folgende Beziehung erfüllen: ν ≥ sin α(ξ) ≥ 1 (5)wobei:
ν der Brechungsindex des Substrats ist.
Das HOE H₂ beugt die eingefangenen Wellenfronten zum dritten HOE H₃ hin. Die Wellenfronten dienen als die Auslesewellen für H₂ und sind in Winkeln α(η) orientiert. HOE H₃ beugt die eingefangenen Wellenfronten nach außen zu einem Betrachter hin, der in einem Abstand R_eye positioniert ist, der auf diese Weise ein Bild der Eingangsanzeige in der Unendlichkeit sieht.
Die Vorteile der oben beschriebenen ebenen holographischen Visieranzeige sind wie folgt:

1) Da die Eingangsanzeigequelle sehr nah am Substrat angeordnet sein kann, kann der Gesamtaufbau sehr kompakt und leichtgewichtig sein.
2) Anders als bei anderen Anzeigekonfigurationen besteht hier eine viel größere Flexibilität in Hinblick auf die Frage, wo die Eingangsanzeigequelle relativ zum endgültigen Okular angebracht werden soll. Daher wird die regelmäßige Konfiguration aus der Achse vermieden und Feldaberrationen können vergleichsweise leicht und wirkungsvoll kompensiert werden.
3) Da die Gesamtoperation des ebenen Aufbaus die ursprünglichen Richtungen der hereinkommenden Wellen bei der Ausgabe beibehält, ist die chromatische Disperstion praktisch null oder nahezu null, wenn die Bündelung durch das erste Hologramm ausgeführt wird, so dass eine polychromatische Lichtquelle als Anzeigequelle verwendet werden könnte.
4) Da jeder Punkt der Eingangsanzeige in eine ebene Welle umgewandelt wird, die von der gesamten Fläche von H₃ in das Auge des Beobachters gebeugt wird, können die Toleranzen für die genaue Position des Auges beträchtlich gelockert werden. Demgemäß kann der Beobachter das gesamte Sichtfeld einsehen und der Augenbewegungskasten kann wesentlich größer sein als bei anderen Visieranzeigekonfigurationen.

Die 6 und 7 veranschaulichen einen erfindungsgemäßen kompakten, dreidimensionalen Anzeigeaufbau. Der dargestellte Aufbau ist aus einer Lichtquelle und dem HOE H₁ aufgebaut, um die Wellen von der Lichtquelle so zu bündeln und zu beugen, dass sie innerhalb des Substrats 6 eingefangen werden und sich zum HOE H₂ hin fortpflanzen, das die Wellen von H₁ zum Anzeigehologramm H₃ hin leitet, auf dem ein Bild eines dreidimensionalen Objekts 8 aufgezeichnet ist. Alternativ könnte H₃ ein HOE sein, das Licht nach außen beugt, um als Ausleselicht für ein Hologramm zu dienen, das an H₃ angrenzend angeordnet ist. Die Auslesewelle von der Eingangslichtquelle kann entweder eine sphärische Welle oder eine zum HOE H₁ lotrechte ebene Welle sein. Die Auslesewelle für H₃ ist eine ebene Welle mit einem größeren Durchmesser als die ebene Welle, die aus H₁ austritt, orientiert in einem Winkel α. Das dritte Hologramm H₃ koppelt die Bildwellen außerhalb so, dass ein virtuelles Bild eines dreidimensionalen Objekts gebildet wird. Um fremdes Licht von nullter Ordnung oder von unerwünschten Reflexionen zu vermeiden, sollten Teile der Oberflächen mit opaken Schichten 10, 12 bedeckt sein. Während die Gitterfunktionen der HOEs H₁ und H₂ jene einfacher Gitter sind, wie sie oben in den Gleichungen 1 und 2 definiert wurden, ist die Gitterfunktion von H₃ eine komplizierte, die wie folgt definiert ist: Φ3 dis = Φ3 + ϕdis (6)wobei:
Φ₃ wie in Gleichung 3 definiert ist und
ϕ_dis die Phase des dreidimensionalen Objekts ist, das in H₃ aufgezeichnet ist.
Zweifellos ist dieser holographische dreidimensionale Anzeigeaufbau wesentlich kompakter als die, die für herkömmliche Betrachtungshologramme verwendet werden. Speziell kann eine kompakte Lichtquelle an H₁ angrenzend positioniert sein und daher besteht keine Notwendigkeit für eine Ausleselichtquelle, die normalerweise in einigem Abstand vom Hologramm angeordnet sein muss, um die gesamte Fläche zu beleuchten, und das Licht von nullter Ordnung, das für gewöhnlich den Beobachter stört, kann mit opaken Schichten abgeblendet werden. Des Weiteren kann die Lichtquelle, da die chromatische Dispersion dieses ebenen Anzeigeaufbaus vergleichsweise klein ist, ein breites Spektrum aufweisen, wie etwa von einer herkömmlichen Weißlichtquelle, und es besteht keine Notwendigkeit, Laserlicht zu rekonstruieren.
8 veranschaulicht einen erfindungsgemäß aufgebauten, kompakten holographischen Strahlenaufweiteraufbau. Der dargestellte Aufbau ist aus einem Eingangs-HOE H₁, einem Zwischen-HOE H₂ und einem Ausgangs-HOE H₃ zusammengesetzt. Die einfallende Eingangswelle für das erste HOE H₁ ist eine ebene Welle, die normalerweise auf das Substrat einfällt, während die Ausgangswelle eine ebene Welle ist, die einen beträchtlich größeren Durchmesser als den der Eingangswelle aufweist. Die Funktionsweise dieses ebenen Strahlenaufweiteraufbaus ist vergleichbar mit der oben für die zwei anderen Aufbauten beschriebene.
Die holographischen optischen Elemente können in einem Substrat als ein Interferenzmuster zweier gegenseitig kohärenter optischer Wellen aufgezeichnet werden, mittels von einem Rechner erzeugter Masken und lithographischer Techniken oder durch direkte Schreibetechniken.
Es wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass die Erfindung nicht auf die Details der vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist und dass die vorliegende Erfindung in anderen speziellen Formen ausgeführt werden kann, ohne von deren Wesensart oder deren Merkmalen abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind deshalb in jeder Hinsicht als anschaulich und nicht als einschränkend zu betrachten, wobei der Umfang der Erfindung eher durch die beigefügten Ansprüche angegeben wird als durch die vorherige Beschreibung und alle Veränderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche fallen, deshalb als hierin enthalten betrachtet werden.

Claims

Holographische optische Vorrichtung, die wenigstens erste, zweite und dritte holographische optische Elemente umfasst, die auf einem lichtdurchlässigen Substrat außerhalb einer geraden Linie angeordnet sind, wobei das erste holographische Element derart konfiguriert ist, dass ein einfallender Lichtstrahl gebrochen und als ein erster gebrochener Strahl innerhalb des Substrats zum zweiten holographischen optischen Element hin geleitet wird; ferner das zweite holographische Element in einer Richtung, die sich von der Richtung der Fortpflanzung des ersten gebrochen Strahls unterscheidet, die gleiche seitliche Abmessung aufweist wie das erste Hologramm und in einer Richtung entlang der Fortpflanzungsrichtung des ersten gebrochenen Strahls eine Längsabmessung, die wesentlich größer ist als die seitliche Abmessung, um den Strahl entlang einer ersten Achse zu verbreitern; ferner das zweite holographische optische Element derart konfiguriert ist, dass das einfallende gebrochene Licht gebrochen wird und als ein zweiter gebrochener Strahl innerhalb des Substrats zum dritten holographischen optischen Element hin geleitet wird; ferner das dritte holographische Element in einer Richtung, die sich von der Richtung der Fortpflanzung des zweiten gebrochen Strahls unterscheidet, die gleiche seitliche Abmessung aufweist wie das zweite Hologramm und in einer Richtung entlang der Fortpflanzungsrichtung des zweiten gebrochenen Strahls eine Längsabmessung, die wesentlich größer ist als die seitliche Abmessung, um den Strahl entlang einer zweiten Achse zu verbreitern; und ferner das dritte holographische Element derart konfiguriert ist, dass es den zweiten gebrochenen Strahl aus dem Substrat entläßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste holographische optische Element optische Wellen von einer Lichtquelle koppelt und diese innerhalb des Substrats durch interne Totalreflexion fortpflanzt; das zweite holographische optische Element die Projektion der Fortpflanzungsrichtungen der optischen Wellen auf die Hauptsubstratebene ändert; und das dritte holographische optische Element die optischen Wellen aus dem Substrat auskoppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei wenigstens eines der holographischen optischen Elemente durch Aufnahme der Elemente als ein Interferenzmuster von zwei gegenseitig kohärenten optischen Wellen in das Substrat eingebettet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei wenigstens eines der holographischen optischen Elemente mittels rechner-erzeugter Masken und lithographischer Techniken oder durch direkte Schreibetechniken in das Substrat eingebettet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste holographische optische Element und das dritte holographische optische Element auf der selben Hauptoberfläche des Substrats angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste holographische optische Element auf einer Hauptoberfläche des Substrats angeordnet ist und das dritte holographische optische Element auf einer anderen Hauptoberfläche des Substrats angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste holographische optische Element eine optische Wirkung aufweist, die als Kollimationslinse einsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das dritte holographische optische Element ein Anzeigehologramm ist, das durch intern reflektiertes Licht vom ersten und zweiten holographischen optischen Element beleuchtet wird, um dadurch ein dreidimensionales Bild aufzubauen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Beugungseffektivitäten des oder eines jeden zweiten holographischen optischen Elements allmählich zunimmt, so dass nur ein Teil der eingefangenen optischen Wellen gebeugt werden.