WO2000011513A9 - Vorrichtung zur volumetrischen wiedergabe eines dreidimensionalen bildes durch gepulste plasmaerzeugung in natürlicher atmosphäre mittels eines fokussierten laserstrahls - Google Patents

Vorrichtung zur volumetrischen wiedergabe eines dreidimensionalen bildes durch gepulste plasmaerzeugung in natürlicher atmosphäre mittels eines fokussierten laserstrahls

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WO2000011513A9
WO2000011513A9 PCT/EP1999/006041 EP9906041W WO0011513A9 WO 2000011513 A9 WO2000011513 A9 WO 2000011513A9 EP 9906041 W EP9906041 W EP 9906041W WO 0011513 A9 WO0011513 A9 WO 0011513A9
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light
display device
medium
focus
focusing
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Andre Srowig
Steffen Noehte
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Eml Europ Media Lab Gmbh
Andre Srowig
Steffen Noehte
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    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels

Definitions

  • the present invention relates to the preambles of the independent claims.
  • the present invention thus deals in particular with a device for generating a three-dimensional image using a light beam and a directional means in order to use these to generate the image by irradiating light into selected volume elements.
  • a volume display device is known from WO 96/33484, a display at the intersection being formed by two beams which are emitted from each of two light transmitter matrices.
  • a new photon is generated at the intersection of the rays and therefore visible light can only be emitted there.
  • DE 28 560 35 describes an arrangement for the optical representation of curves and or surfaces in three-dimensional space.
  • a volume of a substance is provided in which these light beams are directed at a certain point for superimposition and the substance of the volume is such that either a scattering center is created by the superimposition of the light rays at the respective point, which is preferably made visible by illumination with visible light, or a self-luminous one by the superimposition of the light rays at the respective point Point of light arises.
  • the problem here is that two light beams have to be coordinated with one another.
  • U.S. Patent 4,870,485 describes an apparatus for forming a three-dimensional image with a lighting chamber. It is proposed to arrange a luminous substance such as rubidium vapor in a chamber volume and to move it back and forth quickly with two coming from different directions
  • Illuminate low power diode laser beams only visible light should be emitted at the beam intersection.
  • different atomic transitions can be excited, which enables a colored image, cf. the article "Three-Dimension Volumetry Display in Rubidium Vapor" by I. Kim, E. Korevaar and H. Hakakha in Projection Displays II proceedings-Reprint Volume 2650 of the International Society for Optical Engineering.
  • the chamber has to be heated, the chamber volume is limited and the brightness of the luminous image is low.
  • the known display is therefore particularly unsuitable for large-format displays.
  • a rotating helix is illuminated by means of a light beam, whereby the impression of a three-dimensional image can be created by the helix rotation and movement of the beam.
  • a disadvantage of the known arrangements is therefore that a plurality of light beams from different directions must be superimposed regularly for image generation, which requires a complex and often expensive optical structure for beam steering.
  • the invention is thus based on the knowledge that light can be used to illuminate a nonlinear medium, ie a medium with nonlinear optical properties, by irradiating it from a single direction, provided that it is focused on the one selected volume element and at the same time has such a high level of intent that a desired change, for example a glow or a hardening, takes place only in focus.
  • An embodiment of the invention is therefore represented by a device for generating a three-dimensional image, which has a light transmitter and a directional means in order to excite selected volume elements of a nonlinear medium successively by irradiation of only a single light bundle. It is conceivable to integrally form the light transmitter and the alignment means.
  • the directing means is a va ⁇ riables focus means simultaneously with which the single light beam can be so selectively focused into the medium, that only takes place there the non-linear excitation of the medium.
  • a scattering center can be generated in an equivalent and equivalent manner by plasma formation and extraneous light can be scattered thereon.
  • the light transmitter therefore typically emits a widened light bundle of several millimeters in diameter and the straightening means selectively focuses it in the volume element selected in each case at different distances from the straightening means. tel.
  • the light transmitter has such an intensity that the medium is illuminated at least at times of peaking in intent, but only and exclusively in or at the focus of the light beam. The non-linearity of the medium is used here.
  • the excitation is only generated in the focus, little or no energy is absorbed from the light bundle outside the desired volume element, so that the contours are sharp.
  • the nonlinear excitation e.g. the glow can only be generated directly in focus; only at extremely high intensities is it possible to excite or change the medium slightly before the focus. It should be noted that the focus in real optics will not be a point in the geometrical sense, but rather an area of finite size, the exact shape of which depends on the optical elements used in the light transmitter and directional means.
  • Optical crystals such as frequency-doubling lithium niobate, potassium diphosphate and the like, can be used on the one hand as a nonlinear medium for optical three-dimensional representations; In this case, the intensity of the light transmitter is selected so that the perception threshold for the frequency-doubled light is only exceeded in the focus area. Solutions, in particular dye solutions or other corresponding liquids, can also be used.
  • a monochromatic image can be generated here, for example, by a single pulsed laser.
  • Color imaging can also be achieved with a frequency-mixing or doubling medium, for example when mixing colors with a light transmitter for each primary color.
  • a frequency-mixing or doubling medium for example when mixing colors with a light transmitter for each primary color.
  • light beams of different colors are collinearly irradiated into the nonlinear medium and compensated for the dispersion of any transmissive elements that may be used before the beam is combined.
  • a light transmitter which already emits or generates white or apparently white light and from which the components which are not required to obtain a specific color impression are selectively filtered out.
  • a medium which is far preferred over optical crystals and the like is gas for the generation of three-dimensional images.
  • a laser can be used to generate a plasma in focus, as is known in principle.
  • a non-linearity of the gas is used here. It is clear that, in particular, air at atmospheric pressure can be used as the medium. Typical peak intensities that are required for plasma ignition in air are with a good focus of e.g. 5 ⁇ m beam waist in the megawatt range.
  • This power can be provided with short-pulsed lasers, the pulse energies of e.g. have mJ.
  • the pulse energy of half a mJ is enough to generate a brightly glowing plasma.
  • This plasma is referred to as "self-illuminating" plasma for the purposes of the present application.
  • a suitable pulsed light source for the light transmitter is, in particular, a pulsed laser, an NdYag laser being used in a preferred exemplary embodiment.
  • pulsed lasers can also be used. While it is possible to construct quasi-continuous wave lasers, though it is preferred to use lasers with a peak power that is as high as possible, although it does emit light with a fluctuating, but not fully falling to zero intensity between pulse peaks.
  • the laser pulse should be so long that it first ignites a plasma spark and then the light emitted after the pulse peak in the pulse tail is absorbed as completely as possible in the plasma.
  • the repetition rates will typically be at least in the range of a few to a few tens of kHertz. This is sufficient so that, given the temporal resolution given by the eye, a sufficiently complex image can be built up from a large number of luminous dots.
  • the repetition rates are obviously significantly higher and are only limited by available laser sources.
  • a colored representation can also be generated with plasma as the medium.
  • colored light is radiated into the plasma ⁇ and scattered there.
  • the intensity of light scattering color is sufficiently high, the gestreu ⁇ te colored light radiates via the self-lighting and generates a color impression.
  • the required intensity of the colored light depends in particular on the spectral sensitivity of the eye .
  • Intensity integral This means that colored light can be scattered on the plasma over the entire life of the plasma.
  • the colored light to be scattered on the plasma is also preferably pulsed, since light can only be scattered to the eye while a plasma is present.
  • pulsed lasers the pulses of the color and power lasers must be synchronized. Controlled Q-switches in the laser resonators can be used for this.
  • the color lasers are preferably pulsed so that the full intensity of the color laser light is scattered on the plasma.
  • suitable other intense light sources can also be used.
  • the colored light pulses have an order of magnitude lower light intensity for longer-lasting pulses than the plasma-generating power pulses.
  • the colored light pulses are preferably at least as long as the pulses of the power laser that generates the actual plasma, and preferably do not last much longer than the plasma relaxation time.
  • the color laser beams are also preferably focused on the volume in order to enable their optimal scattering in the plasma range. It is preferred if power and color laser beams are focused on approximately the same beam waist, which can be brought about by collinear coupling in front of the directing means. Obviously, when designing the optical system, the actual beam profile is taken into account or at least approximated, for example as a Gaussian beam as known per se in the prior art. This ensures that the necessary narrow focus can be achieved.
  • the straightening means can include mechanically adjustable mirrors both to direct the light beam onto the selected volume elements and to focus the light beam.
  • mechanical control elements with galvano control elements or with stepper motors can be used for steering the bundle.
  • These mechanical control elements are preferably controlled in order to move the laser beam only along a desired path which is to be made to light up as part of the image.
  • This controlled movement, referred to as "random access", along a freely determined path is preferred over the so-called raster scan case, in which each individual volume element of the entire display volume is successively controlled with the directional means and only those volume elements (voxel ) that should make up a bright part of the picture.
  • the mechanical elements of the straightening means often limit the complexity of the image, that is to say its size or resolution. Controlled traversing of only the path specifically desired for a given image allows a more complex image to be built up for a given mechanical design.
  • a lens combination can be used for selective focusing, which consists of a negative entrance lens for beam expansion and - preferably several - downstream positive lenses in order to focus the beam.
  • the focus point along the beam can be changed by moving the negative lens.
  • the movement of the negative entrance lens is advantageous because the beam is not yet fully expanded there, so that the lens can be made small and therefore of low mass, which increases its adjustment speed.
  • the number of posi- tive, ie collecting lenses is not precisely defined, but it is preferred to use at least two positive lenses; the lens surface can thus be used as completely as possible under all beam conditions without the numerical aperture becoming too small, with good focusing being achieved.
  • the surfaces of at least some of the lenses used in the lens system are preferably designed aspherically in order to correct and compensate for aberrations, that is to say image errors in the focus. These corrections can be iteratively determined in the design of the overall system for different lens surfaces in order to achieve precise and in particular diffraction-limited focusing at different and distant focus positions.
  • an iterative design process for the construction of an aspherical lens system converges, in which, for example, a three-part lens system is assumed to have a first state along the desired focal length.
  • a first correction surface is then selected, for example the exit side of the last lens. This surface is deformed in a modeling, for example using a ray tracing method, until the focusing in the state of the longest focal length is aberration-free.
  • the system is then considered after shifting the entrance lens to a state 2, for example the state of the shortest desired focal length.
  • the aberration correction for the longest focal length state does not result in an optimization in the shortest focal length state.
  • corrections do not necessarily have to be carried out for the extreme points, although this is advantageous. Corrections can also only be determined for a closer focal point and then for a focal point farther away. Otherwise, it is preferred to carry out the lens corrections on the fixed lenses.
  • a directing means constructed in this way which focuses selectively, can be used not only in a display device, but in any case in which light must be focused very precisely at different distances. In addition to the display devices and three-dimensional printers already mentioned, there are applications for this, in particular in medical technology, material processing with a laser beam, etc. It should be noted that the lens arrangement described and / or the method specified for its definition are regarded as patentable traceable objects. If adjustable mirrors are also used in the aiming means to focus the light beam, these can optionally have only a mechanically varied focal length or at the same time cause a beam position shift.
  • a particularly preferred focusing arrangement is realized by parabolic mirrors. In practice, these can be approximated without difficulty by mirrors that are spherically curved in one dimension. These can be applied as surface mirrors on piezo bending elements. When a voltage is applied, the piezo elements bend the mirror in such a way that its focal length changes. For this purpose, focusing does not have to be carried out with a single mirror in both directions of the beam cross section. Rather, two separately acting mirrors can be provided, one of which (at
  • the aiming device for changing the focus distance can also be a lens with an electro-optically adjustable one
  • Such lenses are known for example from DE 26 49 073 C2. Because of the relatively low permissible beam power of such lenses, however, a very greatly expanded beam is required on the directing means.
  • focusing means are therefore preferred.
  • a cylindrical lens can be placed in the beam, which is rotated about its cylinder axis lying transverse to the beam direction, which changes the effective focal length.
  • the resulting beam offset can be easily compensated for by a parallel plate to be set accordingly, as is known per se. Focusing and / or beam steering can also be carried out using holograms.
  • a first possibility known per se for this is acousto-optic modulators, which are controlled in a time-varying form, which allows the image structure. In this way, moving image sequences can be generated in exactly the same way as is possible with the appropriate control of mechanical mirror actuators.
  • the directional means comprises a large number of individual holograms for focusing the light bundle in different distances and / or in different directions, and the individual holograms are moved into the beam bundle as required.
  • the individual holograms do not have to be arranged separately from one another on a carrier, but rather can only be blanked separately, for example by selective beam shading by means of an LCD or by arranging a large number of individual holograms on a common carrier.
  • the position of the focal point is changed holographically.
  • Such a movement can be generated, for example, by rotating a cylindrical carrier or rotating a flat disk, on the circumferential area of which the individual holograms are arranged one behind the other.
  • Such a focusing device can work with mechanically adjusted mirrors, in particular to move the beam onto the desired pixel behind the focusing unit.
  • a single hologram can be provided for each luminous point along a predetermined path to reproduce a predetermined three-dimensional image or a short image sequence.
  • Such unchangeable single holograms for fixed sequences are, for example, readily useful for demonstrations in discotheques, for advertising purposes and the like.
  • the individual holograms can be implemented by volume holograms, preference is given to using surface holograms which can be irradiated with particularly high power without fear of damage.
  • Figure 1 shows a first embodiment with a directional means, which uses holograms.
  • 2 shows a display device with bendable mirrors;
  • 3 shows a focusing unit with a cylindrical lens
  • 4 shows an example of the arrangement of surface holograms on a rotary cylinder
  • 5 shows an example of a straightening means, in particular for use with the present invention.
  • a device 1, generally designated 1, for volumetric reproduction of a three-dimensional image in an autostereoscopic representation comprises a pulsed one NdYag laser 2 with a pulse energy of at least half a mJ and a pulse duration of approximately thirty picoseconds.
  • the laser beam 3 emitted from the NdYag laser 2 has a divergence predetermined by the laser resonator and a diameter of typically one to a few millimeters.
  • the divergent laser beam 3 is widened further in a widening optics 4 and leaves it as an almost parallel light beam or beam 5.
  • This parallel beam 5 strikes a transmitted light hologram such as, for. B. volume hologram 6, which is suitable to withstand the beam power permanently, and is arranged on a disc 7.
  • the disk 7 rotates about its axis 8, which is collinear with the beam axis 5 and, during its rotational movement, alternately guides different transmitted light holograms 6a, 6b into the beam 5.
  • An optional converging lens 6c is provided behind the turntable 7.
  • the transmitted light holograms 6 are formed in such a way that the beam 5 is focused to a focal point 9 at a predetermined distance and in a predetermined direction from the turntable, if necessary in cooperation with the lens 6c.
  • transmitted light holograms 6 can be moved into the beam 5 such that the focus 9 is moved along a three-dimensional path which corresponds to a three-dimensional object 10 to be imaged.
  • the arrangement is in the natural atmosphere, for example outdoors or in a closed event space such as a discotheque.
  • the beam energy is so high and the focus on the focus point 9 is so sharp that a plasma ignites at the focus point or area 9.
  • Repetition rate of the pulsed NdYag laser thus appears along the path that the focal point 9 travels, a luminous object that is formed from the self-luminous plasma points that are ignited in the focal points 9.
  • FIG. 1 While the exemplary embodiment of FIG. 1 is described and illustrated with transmitted light holograms 6 only for the sake of illustration, a construction with more permanent reflection holograms, i.e. Surface holograms, preferred.
  • a preferred carrier material for this is quartz glass.
  • the holograms do not necessarily have to be arranged on a rotating disk, but it is optionally possible to arrange them in a helical shape on a cylinder, as indicated in FIG.
  • the cylinder will be advanced with rotation in order to successively move the different individual holograms into the beam 5.
  • the beam is optionally shifted over the rotating cylinder.
  • the individual holograms can be arranged on two separate screw lines, one for forward and backward movement, as shown in FIG. 5 using the dash-dotted and dashed lines is illustrated. These two helical lines can optionally have the same direction of rotation or have different directions of rotation, as illustrated in FIGS. 4a and 4b, respectively.
  • FIG. 2 Another embodiment of the invention is described with reference to FIG. 2.
  • the display device 1 again generally designated 1, comprises a pulsed laser 2, the one Beam 3 is emitted, which is widened in optics 4 and guided as a beam 5 into a focusing means 20.
  • the focusing means comprises a first parabolic mirror 21 which focuses the beam in a first direction transverse to the propagation and a second parabolic mirror 22 which focuses the beam in the second direction transverse to the propagation. So that focusing is achieved with both the mirror 21 and the mirror 22, the focus means further comprises a beam splitter 2 and lambda / 4 plates in a manner known per se
  • the mirrors 21 and 22 are applied to so-called piezo bender elements as front surface mirrors. From a suitable voltage control, a voltage can be applied to the piezo bender elements that changes the curvature of the mirror and thus its respective focal length.
  • the beam emerging convergingly from the beam splitter 23 is - optionally after passing through a further converging lens with a preferably fixed focal length (not shown) to increase the distance from the focal point and thus to enlarge the image - onto a first mirror 25 which can be pivoted mechanically about a first axis and then directed to a second pivotable mirror 26 which is pivotable about an axis perpendicular to the first right ⁇ second axis.
  • the beam runs freely behind the mirror 26 into the atmosphere to its focal point 9.
  • the piezo elements of the bendable mirrors 21 and 22 can be adjusted in a controlled manner, just as the orientation of the mirrors 25 and 26 can be changed by a control.
  • the controller (not shown) is designed such that the focal point 9 can be moved in space along a freely definable trajectory.
  • the movements and adjustments of the mirrors 21, 22, 25 and 26 are coordinated with one another by the control and the NdYag laser 2 pulsed with a sufficiently high repetition rate.
  • the trajectory along the focal points 9 is visible as a light path and a brightly glowing and thus widely visible autostereoscopic image is generated in a volumetric representation. It should be noted that plasma lights can be observed from a large solid angle range and are very bright.
  • the device of FIG. 2 cannot, however, exclusively generate monochromatic images using the plasma self-illuminating. Rather, three further pulsed lasers 27a, 27b, 27c are provided, which emit laser beams of red, green and blue wavelengths.
  • the beams of the lasers 27 are collinearly irradiated into the beam 3 via beam splitters 28a, 28b, 28c and 28d, are expanded together with this in the widening optics 4 and deflected or focused at the mirrors. Since the focus is on mirrors, there is no fear of chromatic aberrations.
  • the beam parameters such as divergence and beam waist of color lasers and NdYag lasers are matched to one another.
  • the lasers 27 are quality-controlled, with Q-switches known per se in the prior art being arranged in the laser resonators of the lasers 27.
  • the Q-switch in the laser resonators, the laser 27 are coupled via a Synchronisati ⁇ onsstoff 29 to the Pulser Wegeung of NdYag laser. 2
  • FIG. 3 shows a further example of focusing optics.
  • This comprises a cylindrical lens 30 instead of a bendable mirror or holograms.
  • the cylindrical lens is arranged in the beam path of an NdYag laser 2 behind the widening optics 4.
  • the cylindrical lens 30 has a rotating unit in order to tilt it against the beam, the effective focal length changing, as indicated by FIG. 3b. Since such a focusing also results in a beam offset, a thin plate 31 is provided which is pivoted synchronously with the cylindrical lens 30 in such a way that the beam offset is compensated for.
  • FIG. 4 shows a further arrangement of focusing optics, with individual holograms being wound along longitudinally spiral-like tracks on a cylinder.
  • the focusing optics consist of a negative, i.e. diverging lens 50, a first collecting lens 51 and a second collecting lens 52, which are arranged in suitable lens carriers.
  • the diverging lens 50 is circular and is arranged on a support (not shown) which is moved by means of a motor, for example electromagnetically, with which it moves along the direction of the arrow 53 is movable back and forth so that the distance between the lenses 50 and 51 can be changed by moving the lens 50 together with its support along the arrow 53.
  • the drive is selected so that fast movements of the lens 50 are possible
  • the lenses 50, 51 and 52 are likewise circular for the expansion of a circular beam 54 which enters the lens 50, the diameter of the lens 50 being smaller than that of the first converging lens 51 and this in turn being a smaller diameter than that has subsequent exit lens 52.
  • the diameters of the lenses are chosen so that the beam 53 at least almost completely illuminates the lenses, at least in a focus position, as shown in FIG. 5a.
  • the surfaces 50a, 50b, 51a, 51b and 52a, 52b of the lenses 50, 51 and 52 are selected aspherically, in such a way that at different distances from the exit lens 52, as by focus points 55a (Fig. 5a) and 55b ( Fig. 5b), each result in focusing that are close to or in the optimum achievable due to the diffraction.
  • This aspherical curvature of the surfaces 50a to 52b can preferably be determined by an iterative method, in which it is determined whether the individual light beams 56i of the beam 54 are within the theoretically achievable diffraction optimum of the respective focus or not.
  • the theoretically achievable diffraction spot for the given optics and wavelength is first determined in a ray tracing method, and then it is determined whether light beams that are incident on pass through the entrance lens at a certain point, get into this diffraction spot or not.
  • This determination is preferably carried out for a series of parallel beams which run at different distances from the optical axis, but parallel to it.
  • a single lens surface is selected and the inclination of the lens surface to the beam at those positions through which beams that are not optimally focused pass is determined, which is necessary to effect the required correction.
  • a necessary correction is thus determined at different points on the surface along a diameter. Can be obtained by interpolation between these points and the Nei ⁇ conditions a continuous contour is obtained for a lens section; since the lens is cylindrical, the entire aspherically corrected surface can be determined by rotating the profile.
  • a corresponding consideration is then made for another focus point.
  • an aspherical curvature is determined in the same way on a further lens surface that is different from the first, and the correction is then repeated for the first surface in the manner described above until all rays are again in the diffraction Optimal of the first focus point. These iteration steps are repeated as often as necessary, for example five to six times.
  • an aspherical correction of a third lens surface for a third focus point can be determined if necessary, again, iteratively considering all previously corrected focus distances.
  • optimal focusing can therefore be obtained in six focal points spaced apart from one another. The focusing obtained between these focus points will then not, at least no longer significantly, deviate from the theoretically achievable diffraction optimum.
  • a circular lens is not mandatory, especially not with the corresponding beam profiles. It is also not mandatory to always carry out the correction iterations for identical beams. Instead of the iterations, a simultaneous correction for different foci can also be used

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur volumetrischen Wiedergabe eines dreidimensionalen Gebildes in autostereoskopischer Darstellung durch gepulste Plasmaerzeugung in natürlicher Atmosphäre mittels eines einzelnen fokussierten Laserstrahles. Es wird hierzu vorgeschlagen, daß bei einer Anzeigevorrichtung zur Dastellung einer dreidimensionalen Abbildung mit einem Lichtsender und einem Richtmittel, mittels Lichteinstrahlung sukzessiver ausgewählte Volumenelemente eines nichtlinearen Mediums zum Leuchten zu bringen, der Lichtsender zum Aussenden eines aufgeweiteten Lichtbündels ausgebildet ist, das Richtmittel zur selektiven Fokussierung des Lichtbündels in das jeweils ausgewählte Volumenelement ausgebildet ist und der Lichtsender eine solche Intensität besitzt, daß das Medium nur am Fokus des Lichtbündels zum Leuchten gebracht wird.

Description

VORRICHTUNG ZUR VOLUMETRISCHEN WIEDERGABE EINES DREIDIMENSIONALEN BILDES DURCH GESPULSTE PLASMAERZEUGUNG IN NATÜRLICHER ATMOSPHÄRE MITTELS EINES FOKUSSIERTEN LASERSTRAHLS
Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.
Damit befaßt sich die vorliegende Erfindung insbesondere mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Abbildung unter Verwendung eines Lichtstrahles und eines Richtmittels, um mit diesen durch Lichteinstrahlung in ausgewählte Vo- lumenelemente die Abbildung zu erzeugen.
Der Wunsch, dreidimensionale Abbildungen zu schaffen, die sich von allen Seiten frei betrachten lassen und einen besseren räumlichen Eindruck vom abgebildeten Gegenstand oder einer ab- gebildeten Szene ergeben, als dies mit herkömmlichen, zweidi- mensionalen Anzeigevorrichtungen möglich ist, ist lange bekannt. Angestrebte Anwendungen sind insbesondere die Flugraumüberwachung oder Darstellungen von Computertomogrammen in der Medizin, etwa zur Vorbereitung chirurgischer Eingriffe. Auch für Werbezwecke oder für die Präsentation neuer Designs ist eine dreidimensionale Anzeige wünschenswert.
Es sind eine Vielzahl von Versuchen unternommen worden, um eine derartige dreidimensionale Abbildung zu erreichen. Aus der WO 96/33484 ist eine Volumenanzeigevorrichtung bekannt, wobei eine Anzeige am Schnittpunkt von zwei Strahlen gebildet wird, die aus jeder von zwei Lichtsender-Matrizen emittiert werden. Für die segmentierte 3D-Anzeige soll u.a. am Schnitt der Strahlen ein neues Photon erzeugt und somit sichtbares Licht nur dort emittiert werden.
Aus der DE 28 560 35 ist eine Anordnung zur optischen Darstellung von Kurven und oder Flachen im dreidimensionalen Raum be-
BESTÄΠGUNGSKOPIE kannt, wobei wenigstens zwei Quellen zur Aussendung je eines Strahls, vorzugsweise nicht sichtbaren Lichts und Mittel zur Steuerung der Lage der Lichtstrahlen im Raum vorgesehen sind, ein Volumen eines Stoffs vorgesehen ist, in dem diese Licht- strahlen zur Überlagerung jeweils in einem bestimmten Punkt gelenkt werden und wobei der Stoff des Volumens derart beschaffen ist, daß entweder durch die Überlagerung der Lichtstrahlen an dem jeweiligen Punkt ein Streuzentrum entsteht, das vorzugsweise durch Anstrahlung mit sichtbarem Licht sicht- bar gemacht wird oder durch die Überlagerung der Lichtstrahlen an dem jeweiligen Punkt ein selbstleuchtender Lichtpunkt entsteht. Problematisch ist hierbei, daß zwei Lichtstrahlen aufeinander koordiniert werden müssen.
Derartige komplexe Konstruktionen sind jedoch verbreitet. Das US-Patent 4 870 485 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes mit einer Leuchtkammer. Es wird vorgeschlagen, einen leuchtfähigen Stoff wie Rubidiumdampf in einem Kammervolumen anzuordnen und mit zwei aus unterschiedli- chen Richtungen kommenden, schnell hin und her bewegten
Diodenlaserstrahlen geringer Leistung zu beleuchten, wobei nur am Strahlschnittpunkt sichtbares Licht emittiert werden soll. Durch Abstimmung der beiden Laser können unterschiedliche Atomübergänge angeregt werden, was eine farbige Abbildung er- möglicht, vgl. den Artikel "Three-Dimension Volumetrie Display in Rubidium Vapour" von I. Kim, E. Korevaar und H. Hakakha in Projection Displays II proceedings-Reprint Band 2650 der International Society for Optical Engineering. Nachteilig ist, daß die Kammer beheizt werden muß, das Kammervolumen begrenzt und die Helligkeit des Leuchtbildes gering ist. Insbesondere für großformatige Anzeigen ist damit das vorbekannte Display nicht geeignet. Es ist weiter bekannt, in einer sog. Kathodenstrahlkugel ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, indem mit einem Elektronenstrahl ein sich in einer evakuierten Kugel schnell drehender phosphoreszierenden Schirm in Helixform zum Leuchten ange- regt wird. Ein solches System wird beispielsweise beschrieben in dem Aufsatz "Visualization of Complex System Dynamics on a Volumetrie 3D-Display Device" von B.G. Blandel und A.J. Schwarz, der insbesondere im Internet zugänglich ist.
Weiter ist ein Verfahren bekannt, bei welcher eine rotierende Helix mittels eines Lichtstrahles angeleuchtet wird, wobei durch die Helixrotation und Bewegung des Strahls der Eindruck eines dreidimensionalen Bildes erweckt werden kann.
Weiter ist vorgeschlagen worden, einen Stapel aus mit Selte- ner-Erde-Verbindungen beschichteten Glasplatten mit zwei Infrarotlasern unterschiedlicher Wellenlängen zu bestrahlen, um über einen Zweiphoton-Prozeß sichtbares Licht zu erzeugen. So soll eine weitere 3D-Anzeige realisiert werden, vgl. US PS 5 684 621.
Ein Nachteil der bekannten Anordnungen ist somit, daß zur Bilderzeugung regelmäßig mehrere Lichtbündel aus unterschiedlichen Richtungen überlagert werden müssen, was einen komplexen und häufig teuren optischen Aufbau zur Strahllenkung erfordert.
Es ist auch bereits bekannt, anstelle leuchtender Bilder dreidimensionale Körper zu erzeugen, indem beispielsweise Licht geeigneter Wellenlänge derart in ein durch optische Strahlung aushärtbares Medium gerichtet wird, daß dessen selektive Aushärtung einen dreidimensionalen Gegenstand erzeugt. Auch bei diesem Prozeß ist es erforderlich, die Energieeinstrahlung auf geeignete Weise zu bewirken. Die vorliegende Erfindung zielt darauf, Neues für die gewerbliche Anwendung bereit zu stellen.
Dieses Ziel wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, daß mit Licht ein nichtlineares Medium, d.h. ein Medium mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, zum Leuchten bringen gebracht werden kann, indem es aus einer einzigen Richtung eingestrahlt wird, sofern es einerseits auf ein jeweils ausgewähltes Volumenelement fokussiert wird und zugleich eine solch hohe Intentsität besitzt, daß nur im Fokus eine gewünschte Veränderung, also z.B. ein Leuchten oder eine Aushärtung erfolgt. Eine Verkörperung der Erfindung wird daher durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Abbildung dargestellt, die einen Lichtsender und ein Richtmittel aufweist, um mittels Ein- Strahlung nur eines einzigen Lichtbündels sukzessive ausgewählte Volumenelemente eines nichtlinearen Mediums zu erregen. Dabei ist denkbar, Lichtsender und Richtmittel integral zu bilden. Wichtig ist aber, daß das Richtmittel zugleich ein va¬ riables Fokusmittel ist, mit welchem das einzige Lichtbündel so selektiv in das Medium fokussiert werden kann, daß nur dort die nichtlineare Erregung des Mediums stattfindet. Neben einem Selbstleuchten kann gleichwertig und in äquivalenter Weise auch ein Streuzentrum durch Plasmabildung erzeugt und Fremdlicht daran gestreut werden.
Der Lichtsender strahlt also typisch ein aufgeweitetes Lichtbündel von mehreren Millimetern Durchmesser aus und das Richtmittel fokussiert dieses selektiv in das jeweils ausgewählte Volumenelement in unterschiedliche Entfernungen vom Richtmit- tel. Der Lichtsender besitzt eine solche Intensität, daß das Medium zumindest zu Zeiten von Intentsitätsspitzen zum Leuchten gebracht wird, aber nur und ausschließlich im bzw. am Fokus des Lichtbündels. Dabei wird die Nichtlinearität des Medi- ums genutzt.
Weil die Erregung nur im Fokus erzeugt wird, wird aus dem Lichtbündel außerhalb des gewünschten Volumenelements allenfalls wenig oder gar keine Energie absorbiert, so daß die Kon- turen scharf sind. Dabei wird typisch die nichtlineare Erregung, z.B. das Leuchten, nur unmittelbar im Fokus erzeugt werden; lediglich bei extrem hohen Intensitäten ist es möglich, schon geringfügig vor dem Fokus das Medium zu erregen bzw. zu verändern. Es sei darauf hingewiesen, daß der Fokus bei realen Optiken kein Punkt im geometrischen Sinne sein wird, sondern vielmehr ein Bereich endlicher Größe, dessen genaue Form von den in Lichtsender und Richtmittel verwendeten optischen Elementen abhängt.
Als nichtlineares Medium kommen für optische dreidimensionale Darstellungen einerseits optische Kristalle in Frage, wie frequenzverdoppelndes Lithiumniobat, Kaliumdiphosphat und dergleichen; in diesem Fall wird die Intensität des Lichtsenders so gewählt, daß die Wahrnehmungsschwelle für das frequenzver- doppelte Licht nur im Fokusbereich überschritten wird. Auch Lösungen, insbesondere Farbstofflösungen oder andere entsprechende Flüssigkeiten, sind einsetzbar.
Ein monochromatisches Bild ist hierin beispielsweise von einem einzigen gepulsten Laser erzeugbar.
Eine farbige Abbildung kann mit einem frequenzmischenden oder -verdoppelnden Medium aber ebenfalls erreicht werden, z.B. bei Farbmischung mit einem Lichtsender für jede Grundfarbe. Bevor- zugt werden dann Lichtbündel unterschiedlicher Farbe kollinear in das nichtlineare Medium eingestrahlt und auf die Dispersion gegebenenfalls verwendeter transmissiver Elemente vor der Strahlzusammenführung kompensiert. Anstelle einer Anzahl unterschiedlicher Lichtquellen kann auch ein Lichtsender verwendet werden, der bereits ein weißes oder scheinbar weißes Licht emittiert oder erzeugt und aus welchem die zur Gewinnung eines bestimmten Farbeindruckes nicht erforderlichen Komponenten selektiv ausgefiltert werden.
Ein gegenüber optischen Kristallen und dergl. weit bevorzugtes Medium ist für die Erzeugung von dreidimensionalen Bildern aber Gas.
Bei Umgebungsdruck kann mit einem Laserstrahlpuls ein Plasma im Fokus erzeugt werden, wie prinzipiell bekannt ist. Hier wird also eine Nichtlinearität des Gases genutzt. Es ist einsichtig, daß als Medium insbesondere Luft bei Atmosphärendruck verwendet werden kann. Typische Spitzenintensitäten, die zur Plasmazündung in Luft erforderlich sind, liegen bei guter Fokussierung von z.B. 5 μm Strahltaille im Megawatt-Bereich. Diese Leistung kann mit kurz gepulstem Lasern bereitgestellt werden, die Pulsenergien von z.B. mJ aufweisen.
Die Pulsenergie von einem halben mJ reicht, um ein hell leuchtendes Plasma zu erzeugen. Dieses Plasma wird für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung als „selbstleuchtendes" Plasma bezeichnet .
Eine geeignete gepulste Lichtquelle für den Lichtsender ist insbesondere ein gepulster Laser, wobei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein NdYag-Laser verwendet wird. Andere gepulste Laser sind aber gleichfalls einsetzbar. Während es möglich ist, Quasi-Dauerstrich-Laser zu konstruieren, die zwar Licht mit einer zwar schwankenden, jedoch zwischen Pulsspitzen nicht voll auf null abfallenden Intensität emittieren, ist es für Zwecke der vorliegenden Erfindung bevorzugt, Laser mit möglichst hoher Spitzenleistung zu verwenden. Der Laserpuls sollte aber so lang sein, daß damit zunächst ein Plasmafunke gezündet wird und dann das nach der Impulsspitze im Pulsschwanz noch emittierte Licht möglichst vollständig im Plasma absorbiert wird.
Wenn die Lichtsender wie bevorzugt gepulst sind, werden die Repetitionsraten typischerweise wenigstens im Bereich einiger bis einiger zehn kHertz liegen. Dies ist ausreichend, damit bei der durch das Auge gegebenen zeitlichen Auflösung ein schon hinreichend komplexes Bild aus einer Vielzahl von Leuchtpunkten aufgebaut werden kann. Bevorzugt liegen die Re¬ petitionsraten einleuchtenderweise deutlich höher und sind nur von verfügbaren Laserquellen begrenzt.
Auch mit Plasma als Medium kann eine farbige Darstellung er- zeugt werden. Hierzu wird farbiges Licht in das Plasma einge¬ strahlt und dort gestreut. Wenn die Intensität des zu streuenden Farblichtes hinreichend hoch ist, überstrahlt das gestreu¬ te farbigen Licht das Selbstleuchten und erzeugt einen Farbeindruck. Die erforderliche Intensität des farbigen Lichtes hängt insbesondere von der spektralen Empfindlichkeit des Au¬ ges ab.
Außerdem ergibt sich der Helligkeitseindruck am Auge bei den typischerweise kurzen Zeiten, in denen an einem bestimmten Punkt ein Plasma pulsartig erzeugt wird, aus dem zeitlichen
Intensitätsintegral. So kann über die gesamte Plasmalebenszeit farbiges Licht am Plasma gestreut werden. Bevorzugt ist auch das am Plasma zu streuende Farblicht gepulst, da Licht nur während des Vorliegens eines Plasmas zum Auge gestreut werden kann. Bei gepulsten Lasern sind die Pulse von Färb- und Leistungslaser zu synchronisieren. Dazu können gesteuerte Güteschalter in den Laser-Resonatoren verwendet werden. Bei dem Einsatz von Färb- und Leistungslasern werden die Farblaser bevorzugt so gepulst, daß die vollständige Intensität des Farblaserlichtes am Plasma gestreut wird. Anstelle von Farblasern können auch geeignete andere intensive Lichtquellen verwendet werden.
Weil typisch die Plasmarelaxationszeit mit einigen, z.B. circa 10 ns deutlich länger ist als der Lichtpuls zur Erzeugung des Plasmas (bei einem NdYag-Lasers um 30 ps) , langt für die Farb- lichtpulse gegenüber den plasmaerzeugenden Leistungspulsen eine größenordnungsmäßig geringere Lichtintensität bei länger dauernden Pulsen. Die Farblichtpulse sind bevorzugt zumindest genau so lang wie die Pulse des Leistungslasers, der das eigentliche Plasma erzeugt, und dauern bevorzugt nicht wesent- lieh länger als die Plasmarelaxationszeit.
Bevorzugt werden auch die Farblaserstrahlen auf das Volumen fokussiert, um ihre optimale Streuung im Plasmabereich zu ermöglichen. So ist bevorzugt, wenn Leistungs- und Farblaser- strahlen auf etwa dieselbe Strahltaillen fokussiert werden, was durch kollineare Zuammenkopplung vor dem Richtmittel bewirkt werden kann. Einleuchtenderweise wird bei der Auslegung des optischen Systems das tatsächliche Strahlprofil berücksichtigt oder zumindest, etwa als Gaußstrahl wie per se im Stand der Technik bekannt, angenähert. Dies stellt sicher, daß sich die erforderlichen engen Brennpunkte erzielen lassen.
Für ein farbiges Bild ist die Mischung aus Grundfarben bevorzugt . Die Richtmittel können mechanisch verstellbare Spiegel sowohl umfassen, um das Lichtbündel auf die ausgewählten Volumenelemente zu richten, als auch um das Lichtbündel zu fokussieren.
Für die Lenkung des Bündels sind insbesondere mechanische Stellelemente mit Galvano-Stellelementen oder mit Schrittmotoren einsetzbar. Diese mechanischen Stellelemente werden bevorzugt gesteuert, um den Laserstrahl nur längs einer gewünschten Bahn zu bewegen, welche als Teil des Bildes zum Leuchten gebracht werden soll. Diese als "random access" bezeichnete, gesteuerte Bewegung längs einer frei bestimmten Bahn ist gegenüber dem sog. Raster-Scan-Fall bevorzugt, in welchem mit dem Richtmittel sukzessive jedes einzelne Volumenelement des ge- samten Anzeigevolumens angesteuert wird und dabei nur jene Volumenelemente (Voxel) zum Leuchten gebracht werden, die einen hellen Bildteil ausmachen sollen. Dies liegt daran, daß oft die mechanischen Elemente des Richtmittels die Komplexizität des Bildes, also dessen Größe bzw. Auflösung begrenzen. Das gesteuerte Abfahren nur der spezifisch für ein gegebenes Bild gewünschten Bahn erlaubt es, bei gegebener mechanischer Auslegung ein komplexeres Bild aufzubauen.
Zur selektiven Fokussierung kann in einem ersten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Linsenkombination verwendet werden, die aus einer negativen Eintrittslinse zur Strahlaufweitung und - vorzugsweise mehreren - nachgeschalteten positiven Linsen besteht, um den Strahl zu fokussieren. Durch Bewegung der negativen Linse kann der Fokuspunkt entlang des Strahls verändert werden. Die Bewegung der negativen Eintrittslinse ist vorteilhaft, weil der Strahl dort noch nicht vollständig aufgeweitet ist, so daß die Linse klein und damit mit geringer Masse ausgebildet werden kann, was ihre Verstellgeschwindigkeit erhöht. Die Anzahl der nachgeschalteten posi- tiven, d.h. sammelnden Linsen ist nicht exakt festgelegt, bevorzugt ist aber, wenigstens zwei positive Linsen zu verwenden; so kann unter allen Strahlbedingungen die Linsenfläche möglichst vollständig ausgenutzt werden, ohne daß die numeri- sehe Apertur zu klein wird, wobei eine gute Fokussierung erreicht wird. Durch Verschieben der negativen Linse kann die effektive Brennweite des Gesamtsystems verändert werden, so daß der Fokuspunkt variiert.
Bevorzugt werden die Oberflächen zumindest einiger der im Linsensystem verwendeten Linsen asphärisch entworfen, um Aberrationen, also Bildfehler im Fokus, zu korrigieren und zu kompensieren. Diese Korrekturen können beim Entwurf des Gesamtsystems für unterschiedliche Linsenoberflächen iterativ bestimmt werden, um an unterschiedlichen und von einander entfernt liegenden Fokuspositionen eine präzise und insbesondere beugungs- begrenzte Fokussierung zu erreichen.
Es wurde festgestellt, daß ein iteratives Entwurf-Verfahren zur Konstruktion eines asphärischen Linsensystems konvergiert, in welchem z.B. mit einem dreiteiligen Linsensystem von einem ersten Zustand längs der gewünschten Brennweite ausgegangen wird. Es wird dann eine erste Korrekturoberfläche ausgewählt, beispielsweise die Austrittsseite der letzten Linse. Diese Oberfläche wird in einer Modellierung z.B. mit Ray-Tracing- Verfahren so verformt, bis die Fokussierung im Zustand längster Brennweite aberrationsfrei ist. Dann wird das System nach Verschiebung der Eintrittslinse auf einen Zustand 2 betrachtet, beispielsweise den Zustand der kürzesten gewünschten Brennweite. Die Aberrationskorrektur für den Zustand längster Brennweite ergibt im Regelfall keine Optimierung im Zustand kürzester Brennweite. Wenn aber jetzt eine Korrektur für den Zustand kürzester Brennweite durchgeführt wird, um so die Aberration im zweiten Zustand zu korrigieren, sind nur geringfü- gige Verschlechterungen der Aberrationskorrektur im ersten Zustand die Folge. Die Aberration im ersten Zustand muß daher zwar erneut korrigiert werden, wobei die Korrekturen kleiner sind, da die Aberrationskorrektur des ersten Zustandes zumin- dest partiell erhalten geblieben ist. Eine iterative Wiederholung der Aberrationskorrekturen für den ersten und zweiten Zustand führt deshalb dazu, daß der Korrektureffekt immer kleiner wird und man schließlich ein System asphärischer Linsen erhält, welches simultan für beide Zustände aberrationskorri- giert ist. Da mehr als zwei Oberflächen in einem Dreilinsensystem zur Verfügung stehen, besteht die Möglichkeit, an verschiedenen Stellen zwischen dem nahesten und dem weitest entfernt liegenden Fokuspunkt Aberrationskorrekturen unter asphärischer Veränderung von Linsenoberflächen durchzuführen.
Weiter versteht sich, daß die Korrekturen nicht zwingend für die Extrempunkte durchgeführt werden müssen, obwohl dies vorteilhaft ist. Auch können Korrekturen erst für einen näher liegenden Brennpunkt und danach für einen weiter entfernt lie- genden Brennpunkt bestimmt werden. Im übrigen wird bevorzugt, die Linsenkorrekturen an den feststehenden Linsen durchzuführen. Es versteht sich, daß ein derart aufgebautes Richtmittel, das selektiv fokussiert, nicht nur bei einer Anzeigevorrichtung Verwendung finden kann, sondern in jedwedem Fall, in dem Licht auf unterschiedliche Entfernungen sehr exakt fokussiert werden muß. Anwendungen hierfür bestehen neben den bereits erwähnten Anzeigevorrichtungen und dreidimensionalen Druckern insbesondere in der Medizintechnik, der Materialbearbeitung mit Laserstrahl usw. Es sei darauf hingewiesen, daß die be- schriebene Linsenanordnung und/oder das zu dessen Definition angegebene Verfahren als patentwürdig verfolgbarer Gegenstand angesehen werden. Werden im Richtmittel auch zur Fokussierung des Lichtbündels verstellbare Spiegel eingesetzt, so können diese wahlweise nur eine mechanische variierte Brennweite aufweisen oder gleichzeitig eine Strahlpositionsverschiebung bewirken.
Eine besonders bevorzugte Fokussieranordnung wird durch Parabelspiegel realisiert. Praktisch lassen sich diese ohne Schwierigkeiten annähern durch in einer Dimension sphärisch gekrümmte Spiegel. Diese können als Oberflächenspiegel auf Piezo-Biege-Elementen aufgebracht sein. Die Piezoelemente verbiegen bei Anlegen einer Spannung den Spiegel derart, daß sich seine Brennweite ändert. Die Fokussierung muß hierzu nicht mit einem einzelnen Spiegel in beiden Richtungen des Strahlquerschnittes vorgenommen werden. Vielmehr können zwei getrennt wirkende Spiegel vorgesehen werden, von welchen einer (bei
Ausbreitung des Bündels in z-Richtung) eine Fokussierung in x- und der andere in y-Richtung bewirkt.
Wahlweise kann das Richtmittel zur Veränderung der Fokusent- fernung auch eine Linse mit elektrooptisch verstellbarer
Brennweite umfassen. Derartige Linsen sind beispielsweise bekannt aus der DE 26 49 073 C2. Wegen der relativ geringen zulässigen Strahlleistung derartiger Linsen wird aber am Richtmittel ein sehr stark aufgeweiteter Strahl benötigt.
Bevorzugt sind daher andere Fokussierungsmittel. So kann eine Zylinderlinse in den Strahl gesetzt werden, die um ihre quer zur Strahlrichtung liegende Zylinderachse gedreht wird, was die effektive Brennweite verändert. Der dabei auftretende Strahlversatz kann ohne weiteres durch eine entsprechend einzustellende Parallelplatte kompensiert werden, wie per se bekannt . Die Fokussierung und/oder Strahllenkung kann auch mittels Hologrammen erfolgen.
Eine per se bekannte erste Möglichkeit hierzu sind akustoopti- sehe Modulatoren, die in zeitlich veränderlicher Form angesteuert werden, was den Bildaufbau erlaubt. So können bewegte Bildsequenzen genauso erzeugt werden, wie das durch entsprechende Steuerung von mechanischen Spiegelstellern möglich ist.
Aufgrund der nur geringen zulässigen Leistungsdichte der meisten akustooptischen Modulatoren ist es jedoch bevorzugt, wenn das Richtmittel eine Vielzahl von Einzelhologrammen zur Fokussierung des Lichtbündels in unterschiedliche Entfernungen und/oder in unterschiedliche Richtungen umfaßt und die Einzel- hologramme wie jeweils erforderlich in das Strahlbündel bewegt werden.
Die Einzelhologramme müssen dabei nicht getrennt voneinander auf einem Träger angeordnet werden, sondern lediglich separat austastbar sein, etwa durch selektive Strahlabschattung mittels LCD oder indem eine Vielzahl von Einzelhologrammen auf einem gemeinsamen Träger angeordnet wird.
Es ist möglich, die Entfernung des Fokuspunktes vom Richtmit- tel mit einer Vielzahl von Einzelhologrammen zu variieren, indem die Strecke zwischen minimaler und maximaler Fokuspunktentfernung in kleinen Schritten unterteilt und für jeden Schritt ein separates Einzelhologramm vorgesehen wird, das nach Bedarf in den Strahl bewegt wird. In einem solchen Fall wird die Lage des Fokuspunktes holographisch verändert. Eine derartige Bewegung kann beispielsweise durch eine Rotation eines zylindrischen Trägers oder die Drehung einer flachen Scheibe erzeugt werden, auf deren Umfangsbereich die Einzelhologramme hintereinander angeordnet sind. Eine solche Fokussiereinrichtung kann mit mechanisch verstellten Spiegeln zusammenarbeiten, um insbesondere hinter der Fokussiereinheit den Strahl auf den gewünschten Bildpunkt zu be- wegen. Wahlweise kann zur Wiedergabe eines vorgegebenen dreidimensionalen Bildes oder einer kurzen Bildsequenz auch ein Einzelhologram für jeden Leuchtpunkt längs einer vorbestimmten Bahn vorgesehen werden. Solche unveränderlichen Einzelhologramme für fixe Sequenzen sind z.B. ohne weiteres bei Vorfüh- rungen in Diskotheken, zu Werbezwecken und dergleichen nützlich.
Die Einzelhologramme können zwar durch Volumenhologramme realisiert werden, bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Ober- flächenhologrammen, die mit besonders hoher Leistung bestrahlt werden können, ohne daß eine Beschädigung befürchtet werden muß .
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrie- ben. In dieser sind:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Richtmittel, welches Hologramme verwendet; Fig. 2 eine Anzeigevorrichtung mit verbiegbaren Spie- geln;
Fig. 3 eine Fokussiereinheit mit einer Zylinderlinse; Fig. 4 ein Beispiel für die Anordnung von Oberflächenhologrammen auf einem Drehzylinder; Fig. 5 ein Beispiel für ein Richtmittel, insbesondere zum Einsatz mit der vorliegenden Erfindung.
Nach Figur 1 umfaßt eine allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung 1 zur volumetrischen Wiedergabe eines dreidimensionalen Bildes in autostereoskopischer Darstellung einen gepulsten NdYag-Laser 2 mit einer Pulsenergie von wenigstens einem halben mJ und einer Pulsdauer von etwa dreißig Picosekunden.
Der aus dem NdYag-Laser 2 emittierte Laserstrahl 3 besitzt ei- ne durch den Laserresonator vorgegebene Divergenz und einen Durchmesser von typisch einem bis einigen Millimetern. Der divergente Laserstrahl 3 wird in einer Aufweiteoptik 4 weiter aufgeweitet und verläßt diese als nahezu paralleles Lichtbündel bzw. -strahl 5. Dieser parallele Strahl 5 trifft auf ein Durchlichthologramm wie z . B. Volumenhologramm 6, das geeignet ist, der Strahlleistung dauerhaft zu widerstehen, und auf einer Scheibe 7 angeordnet ist. Die Scheibe 7 dreht sich um ihre zur Strahlachse 5 kollineare Achse 8 und führt bei ihrer Drehbewegung abwechselnd unterschiedliche Durchlichthologramme 6a, 6b in den Strahl 5. An den Stellen der Durchlichthologramme 6 ist die Scheibe 7 durchbrochen. Hinter Drehscheibe 7 ist eine optionale Sammellinse 6c vorgesehen.
Die Durchlichthologramme 6 sind so gebildet, daß - gegebenen- falls zusammenwirkend mit Linse 6c - in vorbestimmtem Abstand und in vorbestimmter Richtung von der Drehscheibe der Strahl 5 zu einem Fokuspunkt 9 fokussiert wird. Bei der Drehung der Scheibe 7 können Durchlichthologramme 6 so in den Strahl 5 bewegt werden, daß der Fokus 9 längs einer dreidimensionalen Bahn bewegt wird, welche einem abzubildenden dreidimensionalen Gegenstand 10 entspricht.
Die Anordnung befindet sich in der natürlichen Atmosphäre, beispielsweise im Freien oder in einem geschlossenen Veran- staltungsraum wie einer Diskothek. Die Strahlenergie ist so hoch, und die Fokussierung auf den Fokuspunkt 9 so scharf, daß am Fokuspunkt bzw. -bereich 9 ein Plasma zündet. Bei hinreichend schneller und insbesonders auf die Pulse synchronisierter Drehung der Drehscheibe 7 und bei hinreichend hoher Puls- wiederholrate des gepulsten NdYag-Lasers erscheint so längs der Bahn, die der Fokuspunkt 9 abfährt, ein leuchtendes Objekt, das aus den selbstleuchtenden Plasmapunkten, die in den Fokuspunkten 9 gezündet werden, gebildet ist.
Während das Ausführungsbeispiel von Figur 1 nur aus Gründen der Veranschaulichung mit Durchlichthologrammen 6 beschrieben und dargestellt ist, ist ein Aufbau mit beständigeren Reflexionshologrammen, d.h. Oberflächenhologrammen, bevorzugt. Ein bevorzugtes Trägermaterial hierfür ist Quarzglas.
Die Hologramme müssen nicht zwingend auf einer sich drehenden Scheibe angeordnet werden, sondern wahlweise ist es möglich, diese helixförmig auf einem Zylinder anzuordnen wie in Figur 4 angedeutet. Der Zylinder wird unter Drehung vorgeschoben werden, um die unterschiedlichen Einzelhologramme sukzessive in den Strahl 5 zu bewegen. Wahlweise wird der Strahl über den sich drehenden Zylinder verschoben. Wenn auch zur pausenfreien Darstellung eines vorgegebenen Bildes oder einer vorgegebenen Bildsequenz die Rückbewegung des Drehzylinders genutzt werden soll, können die Einzelhologramme auf zwei getrennten Schraubenlinien, jeweils eine für Vor- und Rückbewegung angeordnet werden, wie dies in Figur 5 anhand der strichpunktiert und gestrichelt gezeichneten Schraubenlinien veranschaulicht ist. Diese beiden Schraubenlinien können wahlweise dieselbe Drehrichtung aufweisen oder unterschiedlichen Drehsinn besitzen, wie in Figur 4a beziehungsweise 4b jeweils veranschaulicht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf Figur 2 beschrieben.
Nach Figur 2 umfaßt die wiederum allgemein mit 1 bezeichnete Anzeigenvorrichtung 1 einen gepulsten Laser 2, der einen Strahl 3 emittiert, welcher in einer Optik 4 aufgeweitet und als Strahl 5 in ein Fokussiermittel 20 geführt wird.
Das Fokussiermittel umfaßt einen ersten Parabelspiegel 21, der den Strahl in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitung fokussiert und einen zweiten Parabelspiegel 22, der den Strahl in der zweiten Richtung quer zur Ausbreitung fokussiert. Damit eine Fokussierung sowohl mit dem Spiegel 21 als auch dem Spiegel 22 erreicht wird, umfaßt das Fokusmittel weiter in per se bekannter Weise einen Strahlteiler 2 und Lambda/4 Plättchen
24a und 24b. Die Spiegel 21 und 22 sind auf sog. Piezo-Bender- Elementen als Vorderflächenspiegel aufgebracht. An die Piezo- Bender-Elemente kann aus einer geeigneten Spannungssteuerung eine Spannung angelegt werden, die die Krümmung des Spiegels und damit seine jeweilige Brennweite verändert. Der aus dem Strahlteiler 23 konvergent austretende Strahl wird - gegebenenfalls nach Durchtritt durch eine weitere Sammellinse mit vorzugsweise fester Brennweite (nicht gezeigt) zur Erhöhung der Entfernung des Fokuspunktes und somit zur Vergrößerung des Bildes - auf einen ersten, mechanisch um eine erste Achse schwenkbaren Spiegel 25 und dann auf einen zweiten schwenkbaren Spiegel 26 gerichtet, der um eine zur ersten Achse senk¬ rechte zweite Achse schwenkbar ist. Hinter dem Spiegel 26 läuft das Strahlbündel frei in die Atmosphäre zu seinem Fokus- punkt 9.
Die Piezoelemente der biegbaren Spiegel 21 und 22 sind gesteuert verstellbar, ebenso wie die Ausrichtung der Spiegel 25 und 26 durch eine Steuerung verändert werden kann. Die Steuerung (nicht gezeigt) ist so gebildet, daß der Fokuspunkt 9 längs einer frei vorgebbaren Trajektorie im Raum bewegt werden kann.
Im Betrieb werden die Bewegungen und Verstellungen der Spiegel 21, 22, 25 und 26 durch die Steuerung aufeinander abgestimmt und der NdYag-Laser 2 mit hinreichend hoher Repetitionsrate gepulst. So wird die Trajektorie längs der Fokuspunkte 9 als Leuchtbahn sichtbar und ein hell leuchtendes und somit weithin sichtbares autostereoskopisches Bild in volumetrischer Dar- Stellung erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, daß Plasmaleuchten aus einem großen Raumwinkelbereich beobachtet werden kann und sehr hell ist.
Die Vorrichtung von Figur 2 kann aber nicht ausschließlich mo- nochromatische Bilder unter Ausnutzung des Plasmaselbstleuch- tens erzeugen. Vielmehr sind drei weitere gepulste Laser 27a, 27b, 27c vorgesehen, die Laserstrahlen roter, grüner beziehungsweise blauer Wellenlänge emittieren. Die Strahlen der Laser 27 werden über Strahlteiler 28a, 28b, 28c und 28d kolline- ar in den Strahl 3 eingestrahlt, mit diesem zusammen in der Aufweiteoptik 4 aufgeweitet und an den Spiegeln umgelenkt, bzw. fokussiert. Da die Fokussierung an Spiegeln erfolgt, sind keine chromatischen Aberrationen zu befürchten. Die Strahlparameter wie Divergenz und Strahltaille von Farbla- sern und NdYag-Laser sind einander angepaßt.
Die Laser 27 sind gütegesteuert, wobei per se im Stand der Technik bekannte Güteschalter (Q-Switches) in den Laser- Resonatoren der Laser 27 angeordnet sind. Die Güteschalter in den Laserresonatoren der Laser 27 sind über ein Synchronisati¬ onsmittel 29 an die Pulserzeugeung des NdYag-Lasers 2 gekoppelt.
Im Betrieb zur farbigen Wiedergabe durch die Vorrichtung von Figur 2 wird wiederum der Fokus längs einer erforderlichen
Trajektorie verschoben und die Emission aus den Farblasern 27a bis 27c so gesteuert, daß nach oder bei Zünden des Plasmafunkens 9 an diesem das farbige Licht in gewünschter Intensität zur Erzielung eines vorgegebenen Farbeindruckes zum Beobachter gestreut wird.
Es sei erwähnt, daß die vorgeschlagene, aber nicht gezeigte Sammellinse hinter dem Strahlteiler entsprechend auch mit bzw. in anderen Richtmitteln vorteilhaft einsetzbar ist, wie in Fig.l durch Linse 6c veranschaulicht.
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Fokussierungsoptik. Diese umfaßt eine Zylinderlinse 30 anstelle eines verbiegbaren Spiegels oder von Hologrammen. Die Zylinderlinse ist im Strahlengang eines NdYag-Lasers 2 hinter der Aufweiteoptik 4 angeordnet. Die Zylinderlinse 30 weist eine Dreheinheit auf, um sie gegen den Strahl zu kippen, wobei sich die effektive Brennweite ändert, wie durch Figur 3b angedeutet. Da sich bei einer derartigen Fokussierung zugleich ein Strahlversatz einstellt, ist eine dünne Platte 31 vorgesehen, die synchron so mit der Zylinderlinse 30 verschwenkt wird, daß der Strahlversatz kompensiert wird.
Fig. 4 zeigt eine weitere Anordnung einer Fokussieroptik, wobei einzelne Hologramme längsspiralartiger Spuren auf einem Zylinder gewunden sind.
Fig. 5 zeigt eine besonders bevorzugte Variante einer Fokussierungsoptik, und zwar in zwei unterschiedlichen Fokusstellungen. Die Fokussierungsoptik besteht aus einer negativen, d.h. zerstreuenden Linse 50, einer ersten sammelnden Linse 51 und einer zweiten sammelnden Linse 52, die in geeigneten Lin- senträgern angeordnet sind.
Die zerstreuende Linse 50 ist kreisrund und auf einem motorisch, beispielsweise elektromagnetisch, bewegten Träger (nicht gezeigt) angeordnet, mit welchem sie längs der Richtung des Pfeiles 53 hin und her beweglich ist, so daß sich die Entfernung zwischen Linse 50 und 51 durch Verschieben der Linse 50 mitsamt ihres Trägers längs des Pfeiles 53 ändern kann. Der Antrieb ist dabei so gewählt, daß auch schnelle Bewegungen der Linse 50 möglich sind
Die Linsen 50, 51 und 52 sind für die Aufweitung eines kreisrunden Strahls 54, der in die Linse 50 eintritt, gleichfalls kreisrund, wobei der Durchmesser der Linse 50 kleiner als je- ner der ersten Sammellinse 51 ist und diese wiederum einen geringeren Durchmesser als die nachfolgende Austrittslinse 52 aufweist .
Die Durchmesser der Linsen sind so gewählt, daß das Strahlbün- del 53 die Linsen zumindest nahezu vollständig ausleuchtet, wenigstens in einer Fokuslage, wie bei Fig. 5a dargestellt.
Die Oberflächen 50a, 50b, 51a, 51b sowie 52a, 52b der Linsen 50, 51 und 52 sind asphärisch gewählt, und zwar so, daß sich in unterschiedlichen Abständen von der Austrittslinse 52, wie durch Fokuspunkte 55a (Fig. 5a) und 55b (Fig. 5b) dargestellt, jeweils Fokussierungen ergeben, die nahe am oder im aufgrund der Beugung erzielbaren Optimum liegen.
Diese asphärische Krümmung der Oberflächen 50a bis 52b kann bevorzugt durch ein iteratives Verfahren bestimmt werden, bei welchem ermittelt wird, ob die einzelnen Lichtstrahlen 56i des Strahls 54 im theoretisch erzielbaren Beugungsoptimum des jeweiligen Fokus liegen oder nicht.
Dazu wird in einem Ray-Tracing-Verfahren zunächst der theoretisch erzielbare Beugungsfleck für die gegebene Optik und Wellenlänge bestimmt und dann ermittelt, ob Lichtstrahlen, die an einer bestimmten Stelle durch die Eintrittslinse treten, in diesen Beugungsfleck gelangen oder nicht.
Bevorzugt wird diese Bestimmung für eine Reihe paralleler Strahlen, die in unterschiedlichen Abständen zur optischen Achse, aber parallel zu dieser, verlaufen, durchgeführt.
Tritt ein einzelner Strahl in den optimalen Beugungsfleck ein, so ist für diesen Abstand zur optischen Achse keine Korrektur der Linse erforderlich. Läuft der Strahl aber nicht durch den Beugungsfleck, so wird er entweder zu stark oder zu schwach gebrochen.
Zur Korrektur aller nicht optimal auf diesen Fokusabstand fo- kussierten Strahlen wird eine einzige Linsenoberfläche ausgewählt und die Neigung der Linsenfläche zum Strahl an jenen Positionen, durch welche nicht optimal fokussierte Strahlen treten, bestimmt, die erforderlich ist, um die erforderliche Korrektur zu bewirken.
Somit wird an verschiedenen Punkten der Oberfläche längs eines Durchmessers eine jeweils erforderliche Korrektur bestimmt. Durch die Interpolation zwischen diesen Punkten und den Nei¬ gungen kann eine durchgehende Kontur für einen Linsenschnitt erhalten werden; da die Linse zylindrisch ist, kann durch Rotation des Profils die gesamte asphärisch korrigierte Oberfläche ermittelt werden.
Es wird dann eine entsprechende Betrachtung für einen anderen Fokuspunkt vorgenommen. Hierbei wird eine asphärische Krümmung an einer weiteren, von der ersten verschiedenen Linsenoberfläche auf die gleiche Weise bestimmt und es wird dann neuerlich die Korrektur in der zuvor beschriebenen Weise für die erste Oberflächewiederholt, bis wiederum alle Strahlen im Beugungs- Optimum des ersten Fokuspunktes liegen. Diese Iterationsschritte werden so oft wiederholt wie erforderlich, z.B. fünf bis sechs mal.
Nach der Iteration zwischen beiden Punkten kann gegebenenfalls eine asphärische Korrektur einer dritten Linsenoberfläche für einen dritten Fokuspunkt unter erneuter, iterativer Betrachtung aller zuvor korrigierten Fokusabstände ermittelt werden. Bei insgesamt drei Linsen, nämlich einer zerstreuenden und zwei sammelnden Linsen im System und somit sechs Linsenoberflächen kann demnach eine optimale Fokussierung in sechs voneinander beabstandeten Fokuspunkten erhalten werden. Die zwischen diesen Fokuspunkten erhaltenen Fokussierungen werden dann nicht, jedenfalls nicht mehr signifikant, vom theoretisch erzielbaren Beugungsoptimum abweichen. Eine kreisrunde Linse ist übrigens nicht zwingend, insbesondere nicht bei enspre- chenden Strahlprofilen. Auch ist es nicht zwingend, die Korrektur-Iterationen stets für identische Strahlen durchzuführen. Anstelle der Iterationen kann auch eine simultane Korrek- tur für verschiedene Fokussierungen
Es versteht sich, daß die unterschiedlichen Fokussierungs- und Richtmittel miteinander kombinierbar sind.
Es ist vorstellbar, auf der Scheibe 7 von Figur 1 nicht eine
Vielzahl von Einzelhologrammen anzuordnen, die sowohl für eine seitliche Ablenkung als auch für eine Variation der räumlichen Entfernung des Fokuspunktes von der Scheibe sorgen, sondern nur mit den auf der Scheibe 7 angeordneten Hologrammen eine schrittweise Verlagerung der Fokusentfernung zu erzielen und dann eine Umlenkung beispielsweise mit mechanisch gesteuerten Spiegeln wie bei 25 und 26 in Figur 2 angedeutet, vorzunehmen. Weiter ist auch denkbar, anstelle einer drehbaren Scheibe 7 mit Einzelhologrammen einen akustooptischen Modulator vorzusehen, dem durch" entsprechende akustische Anregung ein solches Dichtemuster aufgeprägt wird, mit welchem eine gewünschte Strahlablenkung beziehungsweise Fokussierung erreicht wird. Derartige akustooptische Modulatoren mit zugeordneten Drehspiegeln sind in der Technik per se bekannt. Weiter ist ohne weiteres möglich, anstelle einer Drehscheibe, auf welcher Einzelhologramme nur im Umfang angeordnet sind, eine Bildsequenz auf einer Spirale vorzusehen.
Während es bevorzugt ist, die Spiegel der mechanischen Stellelemente so zu verstellen, daß eine vorgegebene Trajektorie abgefahren wird, ist es auch möglich, wie bei der zeilenweisen Abtastung eines Fernsehbildes jedes einzelne Voxel im Abbildungsraum sukzessive anzusteuern und nur dort hinein zu fokus¬ sieren, wo ein Leuchten gewünscht wird. Allerdings ist die letztgenannte Art der Bilderzeugung aufgrund der beschränkten mechanischen Stellgeschwindigkeiten nicht bevorzugt.
Es sei erwähnt, daß, insbesondere bei Verwendung von Hologrammen als Richtmitteln mehrere oder alle gewünschten Bildpunkte an diesem simultan zum Leuchten gebracht werden können und/oder dort die nichtlineare Veränderung, z.B. durch Plas- mainduktion, bewirkt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Abbildung mit einem Lichtsender und einem Richtmittel, um mit- tels gerichteter Lichteinstrahlung ausgewählte Volumenelemente eines nichtlinearen Mediums zu verändern, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender zum Aussenden eines aufgeweiteten Lichtbündels ausgebildet und das Richtmittel zur selektiven Fokussierung des aufgeweiteten Lichtbündels in das jeweils ausgewählte Volumenelement ausgebildet sind und worin der Lichtsender zumindest temporär eine solche Intensität besitzt, daß nur am Fokus des Lichtbündels eine Veränderung nichtlinear unter Plasmaerzeugung herbeige- führt wird.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium so geartet nichtlinear und die Intensität so hoch gewählt ist, daß das Medium am Fo- kus des Lichtbündels leuchtet.
3. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch mit einem das Licht des eingestrahlten Lichtbündels zu Licht sichtbarer Wellenlänge nichtlinear mischenden, insbeson- dere frequenzverdoppelnden Medium, worin die Intensität des Lichtsenders so hoch ist, daß nur vom im Medium liegenden Fokusbereich gemischtes, insbesondere frequenzverdoppeltes Licht deutlich wahrnehmbarer Intensität emittiert wird.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3 zur Anzeige eines monochromatischen Bildes, worin das Medium ein frequenzverdoppelndes Medium ist und der Lichtsender und das Richtmittel zur Einstrahlung allenfalls eines einzigen in das Medium fokussierten Lichtbündels für jeden zu einem gegebenen Zeitpunkt gleichzeitig zum Leuchten gebrachten Punkt ausgebildet sind.
5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, worin zur Erzeugung eines farbigen Bildes das Medium ein frequenzverdoppelndes Medium ist und der Lichtsender und das Richtmittel zur Aussendung und Einstrahlung allenfalls eines einzigen in das Medium fokussierten Lichtbündels je Grundfarbe für jeden zu einem gegebenen Zeitpunkt zum Leuchten gebrachten Punkt ausgebildet ist.
6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 3, worin das Medium ein Licht nichtlinear mischendes Medium ist und Lichtsender und Richtmittel dazu ausgebildet sind, ein aus Lichtstrahlen wenigstens zweier unterschiedlicher Wellenlängen allgemein kollinear zusammengesetztes Lichtbündel in das Medium zu fokussieren.
7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, worin zur Erzeugung eines monochromatischen Bildes Lichtsender und Richtmittel dazu ausgebildet sind, ein aus nur zwei unterschiedlichen Wellenlängen zusammengesetztes Lichtbündel in das Medium zu fokusieren.
8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, worin der Lichtsender und das Richtmittel für das Fokussieren des Lichtbündels in Gas ausgebildet sind und der Lichtsender eine solche Intensität besitzt, daß sich im Fokus des Lichtbündels zumindest zeitweilig ein Plasma bildet.
9. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, worin der Lichtsender und das Richtmittel für das Fokussie- ren des Lichtbündels in natürliche Luft, insbesondere die freie Atmosphäre ausgebildet sind.
10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, worin das Me- dium Umgebungsdruck besitzt.
11. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, worin der Lichtsender Licht mit einer solchen Intensität ausstrahlt, daß in einer vorbestimmten Beobachtungsent- fernung ein Selbstleuchten des Plasmas deutlich wahrnehmbar ist.
12. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, worin Lichtsender und/oder Richtmittel dazu ausgebildet sind, das wahrgenommene Leuchten des Mediums am Fokuspunkt durch Streuung wenigstens eines vom zur Plasmabildung fokussierten Lichtstrahl verschiedenen Lichtstrahles zu erzeugen.
13. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Lichtsender zur Aussendung von Lichtpulsen, insbesondere mit einer wenigstens im kiloHertz- Bereich liegenden Repetitionsrate ausgebildet ist.
14. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, worin der Lichtsender einen gepulsten Laser, insbesondere NdYag-Laser, mit hoher Spitzenleistung umfaßt.
15. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch zur Erzeugung einer farbigen Abbildung in natürlicher Atmosphäre, worin der Lichtsender einen ersten, gepulsten (Leistungs-) Laser zur Erzeugung eines Plasmafunkens umfaßt und wenigstens einen (Färb-) Laser anderer Wellenlänge, vorzugsweise genau einen Laser für jede Grundfarbe umfaßt, worin der oder jeder Farblaser eine solche Intensität besitzt, daß der wahrgenommene Farbeindruck das vom Leistungslaser bewirkte Plasmaleuchten überstrahlt, bevorzugt mit einem Mittel zur Intensitätseinstellung für den oder jeden Farblaser.
16. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, mit einem Pulssynchronisationsmittel für wenigstens einen, vorzugsweise jeden Farblaser zur Synchronisation der da- von abgegebenen Lichtpulse auf jene des Leistungslasers, wobei vorzugsweise die Farblaser derart ausgebildet sind, daß deren Pulse zumindest so lange wie jene des Leistungslasers und bevorzugt nicht wesentlich länger als die Plasmarelaxationszeit andauern.
17. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, worin zwischen Lichtsender und Richtmittel ein Strahlkoppelmittel vorgesehen ist, um die aufgeweiteten Laserstrahlen von Leistungs- und Farblasern vor der Fokussie- rung in das Volumenelement kollinear zusammenzuführen.
18. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Richtmittel wenigstens einen, vorzugsweise mehrere mechanische, insbesondere über Schrittmotoren oder Galvostellelemente verstellbare Spiegel zur Richtung des Lichtbündels in die ausgewählten Volumenelemente umfaßt.
19. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, worin das Richtmittel wenigstens einen mechanisch verstellbaren Spiegel zur wahlweisen Fokussierung des Lichtbündels in in unterschiedliche optische Weglängen vom Spiegel entfernt liegende Volumenelementen umfaßt.
20. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, worin der Fokussierspiegel ein insbesondere mittels eines Piezoelementes verbiegbarer Spiegel, insbesondere Parabelspiegel ist.
21. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, worin ein erster verbiegbarer Fokussierspiegel zur Fokussierung des Strahlenbündels in einer ersten Strahlquerschnittsrichtung und ein zweiter Fokussierspiegel zur Fo- kussierung des Strahlenbündels in einer davon verschiedenen zweiten Strahlquerschnittsrichtung vorgesehen ist.
22. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Richtmittel zumindest eine Linse mit elek- trooptisch verstellbarer Brennweite umfaßt.
23. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Richtmittel wenigstens eine allgemein zylindrische Linse mit einem Stellelement zur Veränderung der effektiven Brennweite durch Änderung der Linsenneigung gegen den Strahl, sowie vorzugsweise ein Strahlver- satzkompensationselement umfaßt.
24. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, worin das Richtmittel ein Hologrammittel zur Veränderung von Strahlrichtung und/oder Fokuslage umfaßt.
25. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, worin das Hologrammittel einen akustooptischen Modulator mit einer Steuerung zur zeitlich variablen Einstellung von Strahlrichtung und/oder Fokuslage umfaßt.
26. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 24, worin das Hologrammittel eine Vielzahl von Einzelhologrammen zur Fokusie- rung des Lichtbündels i.n unterschiedliche Entfernungen umfaßt und ein Steuermittel zur Relativbewegung von Einzelhologramm und Strahlbündel.
27. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 26, worin das Hologrammittel eine Vielzahl von Einzelhologrammen zur Bewegung des Leuchtpunktes längs einer vorbestimmten Bahn umfaßt.
28. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 24, 26 oder 27, worin das Hologrammittel Oberflächenhologramme umfaßt.
29. Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes, worin Licht emittiert und sukzessive in ausgewählte Volumenelemente gerichtet wird, um dort ein Leuchten zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Licht als einzelnes aufgeweitetes Lichtbündel in das jeweilige Volumen fokussiert und die Intentsität des Lichtstrahles so hoch gewählt wird, daß nur an dessen Fokus eine deutlich wahrnehmbare Leuchten und/oder ein Streuzentrum erzeugt wird.
30. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, worin der einzelne aufgeweitete Lichtstrahl in ein Gas, vorzugsweise Luft, fokussiert und am Fokus ein selbstleuchtendes Plasma gebildet wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, worin Licht einer ersten Wel- lenlänge gerichtet in das Medium fokussiert wird und
Licht wenigstens einer zweiten Wellenlänge am Plasma gestreut wird, um das Plasmaselbstleuchten zu überstrahlen und so eine bestimmte Farbwirkung zu erzielen.
32. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, worin das Licht erster und zweiter Wellenlänge gepulst wird, der Lichtpuls mit der zweiten Wellenlänge mit dem ersten Lichtpuls synchronisiert wird und zumindest genau- so lange dauert wie jener mit der ersten Wellenlänge.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 oder 32, worin das Licht erster Wellenlänge und der wenigstens einen oder jeder weiteren Wellenlänge kollinear in das Volumen ein- gestrahlt wird.
34. Richtmittel zur Fokussierung eines insbesondere intensiven Lichtstrahls auf unterschiedliche Entfernungen, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig eine kleinere, defokussierende, zur Fokuspunktveränderung bewegliche
Linse geringeren Durchmessers vorgesehen ist und dieser wenigstens eine größere Sammellinse nachgeordnet ist, wobei wenigstens eine der Linsenoberflächen asphärisch korrigiert ist, um eine zumindest im wesentlichen beugungs- begrenzte Fokussierung in einem ersten Fokusabstand zu erhalten, und wobei weiter eine zumindest im wesentlichen beugungsbegrenzte Fokussierung noch in einem davon verschiedenen Fokusabstand erhalten wird.
35. Richtmittel nach dem vorhergehenden Anspruch mit mindestens zwei der beweglichen Eingangslinse nachgeordneten Sammellinsen, wobei wenigstens zwei Linsenoberflächen des Linsensystems asphärisch korrigiert sind.
36. Richtmittel nach Anspruch 34 oder 35, worin die Eingangslinse angetrieben beweglich ist.
37. Richtmittel nach einem der Ansprüche 34 bis 36, worin die Linsen rotationssymmetrisch sind.
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