DYNAMISCHE WELLENFRONT-FORMEINHEIT
Die Erfindung betrifft eine optische Einheit zur dynamischen Wellenformung mit regulär in Zellenfeldern angeordneten Lichtmodulatorzellen, welche Teillichtwellen in einer propagierenden Lichtwellenfront lokal beeinflussen. Jedes Zellenfeld ist mit einer Steuerung verbunden, welche das optische Verhalten der Lichtmodulatorzellen separat einstellt. Dieses ermöglicht, die Form der propagierenden Lichtwellenfront lokal verschieden an eine Zielform anzupassen. Insbesondere in hochauflösenden optischen Systemen mit großen Aperturen stören Aberrationen und mindern die Güte der Bildwiedergabe an der Ausgangspupille des Systems. Mit der optischen Einheit ist beispielsweise eine sogenannte adaptive Optik realisierbar, um mit Computermitteln die Aberrationen in einem abbildenden optischen System wirksam zu kompensieren.
Nützliche Anwendungen der Erfindung ergeben sich auch für Mess- und Prüftechnik in einer industriellen Fertigung, wenn beispielsweise ein Prozess eine Anpassung des Fokus an Form und Beschaffenheit des Materials erfordert. Auch in optischen Netzwerken mit einer variablen Netzstruktur kann mit der Erfindung vorteilhaft eine variable Zuordnung von Verbindungen zu Netzknoten realisiert werden.
Die Erfindung ist auch vorteilhaft in Systemen, die Objekte holographisch rekonstruieren, anwendbar, da holographische Sichtgeräte Wiedergabeschirme mit Aperturen von mehreren Dezimetern erfordern, um für das Betrachten von Rekonstruktionen einen weiten Betrachterwinkel verfügbar zu haben.
Außerdem besitzen sowohl auto-stereoskopische als auch holographische Systeme oft Mittel zum Auffinden von Augenpositionen und Ausrichten und Nachführen von Lichtwellen, welche das modulierte Licht für die auto-stereoskopischen Wiedergabebilder bzw. zum holographischen Rekonstruieren so ausrichten, dass diese das Sys- tem abhängig von der Augenposition schräg zur optischen Systemachse verlassen.
Abbildende optische Systeme, welche Bilder oder holographische Rekonstruktionen hochauflösend und/oder lichtstark wiedergeben sollen, erfordern oft mehrere optische Elemente mit einer weiten Apertur. Dadurch entstehen im Lichtweg lokal ver-
schiedene optische Fehler, welche als Kombination von bekannten Aberrationen die Qualität der propagierenden Lichtwellenfront am Systemausgang mindern.
Das vorliegende Dokument bezeichnet als Wellenfront eine Fläche von propagie- renden Lichtwellen, auf der beim Propagieren in einem Ausbreitungsraum alle Lichtpunkte liegen, die eine gleiche Laufzeit zu einem Sender, z. B. einem räumlichen Lichtmodulator SLM, besitzen. Ein Zellenfeld ist im Sinne dieses Dokumentes die reguläre Anordnung der Modulatorzellen eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators in einer Fläche. Für den Gegenstand der Erfindung ist es unerheblich, ob dabei die Modulatorzellen zu einer Matrix oder einem anderen regulären Zellenmuster, beispielsweise ein Wabenmuster, angeordnet sind.
Beim Ausbreiten von großflächigen Lichtwellen ist von Nachteil, dass auch Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise Schwankungen von Temperatur, Feuchtegrad, Zusammensetzung und Dichte eines Mediums im Ausbreitungsraum dynamisch die Anteile der genannten Aberrationen in der Wellenfront verändern können. Bei einer astronomischen Beobachtung mit einem Teleskop können beispielsweise dynamische Dichteschwankungen der Atmosphäre die optische Beschaffenheit einer empfangenen Wellenfront beeinflussen. Diese ändern temporär den Brechungsindex und die Aberrationen des optischen Systems, welches beispielsweise die Bildschärfe eines beobachteten Objektes dynamisch ändert. Die Unscharfe setzt sich aus dem Anteil einer Lageverschiebung des Bildes in der Sichtebene und aus einem Anteil der Verbreiterung von abgebildeten Bildpunkten zusammen. Letzteres beschreibt eine Punktspreizung, die sogenannte Point Spread Function PSF, welche die Ant- wort eines optischen Systems auf eine Punktlichtquelle oder einen Objektlichtpunkt definiert.
Ein ähnliches Problem tritt beispielsweise auch bei einem Mikroskop auf. Auch hier ist es wünschenswert, den Fokus des Mikroskopobjektives schnell nachzuführen und/oder lokale Fehler in der Wellenfront zu kompensieren.
Um mit Computermitteln die Aberrationen automatisch und so zeitnah wie möglichst zu korrigieren, besteht ein Erfordernis, die Form der gestörten Wellenfronten adaptiv mit einem Minimum an mechanischer Bewegung zu beeinflussen. Die optische Einheit soll in den genannten optischen Systemen beispielsweise die Punktspreizung
für möglichst viele Objektlichtpunkte kompensieren und die Ausdehnung der Objektlichtpunkte so zu korrigieren, dass Abbildungsfehler möglichst eliminiert werden.
Ein ähnliches Problem ergibt sich auch bei einem System zum dreidimensionalen Rekonstruieren von Objekten mit einer Wellennachführung der propagierenden Wellenfronten. Die Wellennachführung passt die Ausbreitungsrichtungen der Wellenfronten optisch an jede aktuelle Augenposition des zugeordneten Betrachterauges an und führt diese beim Wechsel der Augenposition auch nach. In einem solchen System propagieren die Lichtwellenfronten abhängig von der Position der Betrachter in von der optischen Systemachse abweichende Ausbreitungsrichtungen. Das heißt, die Ausbreitungsrichtungen laufen verschieden schräg zur optischen Achse und bewirken Abberationen mit wechselnden Anteilen.
Die für eine holographische Rekonstruktion benötigten Erfordernisse an die Interfe- renzfähigkeit der Wellenfronten erhöhen zusätzlich die Notwendigkeit einer Reduzierung von Abberationen. Um sicher zu stellen, dass die modulierte Wellenfront alle Lichtpunkte einer dreidimensionalen Szene wie gewünscht am richtigen Ort rekonstruiert, sind die Aberrationen vor dem Rekonstruieren zu beseitigen. Das erfordert für jede mögliche Augenposition eines Betrachters eine an die Position adaptierte Kompensation der Aberrationen. Dieses Problem kann nur ein dynamisch einstellbarer Wellenfrontformer lösen.
Adaptive Optiken nutzen oft Wellenformer mit einer kontinuierlich einstellbaren, un- gerasterten Zellenoberfläche, d.h. einen Wellenformer mit einer optisch stetig verlau- fenden Zellenoberfläche. So werden beispielsweise Felder mit separat beweglichen Mikroelementen benutzt, deren Neigung zur Systemachse jeweils über Bewegungsmittel elektrisch einstellbar ist und die mit einer spiegelnden Membran abgedeckt sind. Eine solche Lösung offenbart beispielsweise die internationale Veröffentlichung WO 99/06856 „Mikroskop mit adaptiver Optik", welche ein konventionelles Mikroskop im Beobachtungs- bzw. Beleuchtungslichtweg eine adaptive Optik erweitert. Die adaptive Optik ändert einerseits lokal die Phase und/oder die Amplitude des Lichtes einer räumlichen Wellenfront gezielt, und verschiebt zum Anderen auch den Fokus im Objektraum.
Das Dokument offenbart sowohl lichtdurchlässige Wellenfrontformer auf LCD-Basis als auch reflektierende Wellenfrontformer mit beweglichen Membranen, welche elektrostatisch, piezoelektrisch oder von Biegeelementen bewegt werden.
Eine ungerasterte Zellenoberfläche eines Wellenfrontformers hat gegenüber einer gerasterten Ausführung den Vorteil, dass keine Lichtbeugung an der Zellenoberfläche auftreten kann, welche selbst wieder die Qualität der ausgehenden Wellenfront durch Lichtverluste und/oder Interaktion verschiedener Beugungsordnungen reduziert.
Wesentliche Nachteile von ungerasterten Zellenoberflächen sind neben einer geringen Einstellgeschwindigkeit jedoch auch, dass nur relativ weite Krümmungsradien R, die kaum enger als R = 1 m sein können, einstellbar sind. Dieses schränkt für viele Anwendungen den Dynamikbereich erheblich ein, so dass ungerasterte WeI- lenfrontformer nur bedingt einsetzbar sind.
Der Anmelder hat bereits in der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 2007/099456 und dem Titel „Wellenfrontformvorrichtung" einen zweidimensional einstellbaren, reflektiven Wellenfrontformer angemeldet, welcher ein Raster mit separat bewegliche Mikrospiegelelementen mit Ausdehnungen von wenigen Mikrometern nutzt. Der Wellenfrontformer hat Bewegungselemente, welche beleuchtete Mikrospiegelelemente kippen beziehungsweise verschieben oder eine Kombination aus beiden Bewegungen ausführen, um mechanisch ein strukturiertes Reflektionsmuster einzustellen. Ein Hologrammsignal ändert das Reflektionsmuster durch schnelles Bewegen der Mikrospiegelelemente im Takt einer Videobildfrequenz und generiert damit eine Videosequenz von Hologrammwellenfronten, um eine bewegte Szene in Echtzeit holographisch zu rekonstruieren. Das Reflektionsmuster formt dabei in Folge von lokal verschiedenen Lichtreflexionen die homogene Wellenform von eingehenden Lichtwellen entsprechend von Videohologrammsignalen um. Die Bewegungselemente können dabei die Mikrospiegelelemente um mindestens eine ganze Lichtwellenlänge bewegen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung hat den Nachteil, dass alle beweglichen Spiegelelemente mit einer Vielzahl von Bewegungselementen und deren zugeordneten
Adressiermittel als integrierte Schaltung gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind. Dieses ermöglicht eine wirksame Formerfläche von nur wenigen Quadratzentimetern, so dass optische Vergrößerungsmittel für die Wellenfronten erforderlich sind.
Im Gegensatz zu einem ungerasterten Wellenformer, kann ein Wellenformer mit einer gerasterten Zellenoberfläche, insbesondere räumliche Lichtmodulatoren für Phasenmodulation, jedoch auch eine hohe Einstellgeschwindigkeit und enge Krümmungsradien von wenigen Millimetern realisieren. Da somit lokal auch deutlich enge- re Krümmungen einstellbar sind, kann gegenüber ungerasterten Wellenformern ein gerasterter Wellenformer auch einen mindestens um ein Zehnfaches größeren Dynamikbereich bei einer deutlich höheren Raumfrequenz realisieren.
Darüber hinaus ist aus der internationalen Veröffentlichung WO 2005/057250 mit dem Titel „Variable Focus System" ein Fokussiersystem mit einer Vielzahl von beweglichen optischen Elementen bekannt, bei dem eine elektronische Steuerung die Fokuspositionen eines optischen Systems zwischen verschiedenen Fokuseinstellungen umschaltet. Die Steuerung kann sowohl die Systembrennweite zwischen verschiedenen Bildebenen als auch zwischen verschiedenen Fokusrichtungen um- schalten, die zur optischen Achse verschieden liegen. In einer besonderen Ausführung arbeitet das Fokussystem mit einem Videomonitor als 3D-Bildprojektor zusammen, um seriell, räumlich gestaffelte Bildebenen zu generieren, welche im Raum frei schwebende 3D-Bilder abbilden. Die beweglichen optischen Elemente können sowohl reflektive Elemente, die lateral in zwei Dimensionen kippbar sind, als auch op- tisch brechende Elemente sein.
Der Anmelder hat außerdem bereits in der nichtveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 005 8235 mit dem Titel „Optische Wellenfrontkorrektur für ein holographisches Projektionssystem" ein Rekonstruktionssystem mit einem dynami- sehen Wellenfrontformer, angemeldet. Das System bildet Videohologramme vor dem Rekonstruieren einer Szene auf einen Wiedergabeschirm ab. Eine Positionssteuerung nutzt Positionsdaten von aktuellen Augenpositionen, um eine optische Wellennachführung so einzustellen, dass die modulierte Lichtwellenfront unabhängig von Positionswechseln an der gewünschten Augenposition erscheint. Hologramm-
seitig vor dem Wiedergabeschirm liegt ein einstellbarer Wellenfrontformer. Compu- termitteln passen das optische Verhalten des Wellenfrontformers an Hand der Positionsdaten von der aktuellen Augenposition so an, dass die rekonstruierte Szene eine positionsunabhängig Geometrie und optische Qualität aufweist.
Im Gegensatz zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung betrifft die Patentanmeldung DE 10 2007 005 8235 jedoch das Anwenden einer Einheit zur dynamischen Wellenformung in einem holographischen Projektionssystem - nicht aber deren konstruktive Ausführung für vielfältige Anwendungen, beispielsweise auch für eine Direktsichtanzeige.
Aus der internationalen Veröffentlichung WO 2007/096687 mit dem Titel: „DIFFRAC- TION GRÄTINGS WITH TUNABLE EFFICIENCY" ist ein Lichtmodulator bekannt, welcher ein Zellenfeld mit Beugungsgitter nutzt, um lokal separat die Lichtintensität zu modulieren und/oder den Lichtweg umzulenken. Jedes Beugungsgitter enthält steuerbare Elektro-Benetzungszellen, welche im Lichtweg eines Backlights liegen. Auch dieser Lichtmodulator arbeitet im lichtdurchlässigen Betrieb. Die Elektro- Benetzungszellen haben Steuerelektroden, welche mit einem elektrischen Feld die Adhäsion von Kapillaren über die Oberflächenspannung beeinflussen und somit den Füllstand beziehungsweise die Oberflächenform von optischen Medien und damit die optische Transmission steuern. Dafür enthalten die Benetzungszellen eine Kapazität, bei der der Platz zwischen den Elektroden zu einem Anteil mit einem hydrophoben flüssigen Medium, wie beispielsweise Öl, und zum anderen Anteil mit Wasser gefüllt ist. Mindestens eine der Elektroden ist hydrophob beschichtet. Ohne e- lektrisches Feld legt sich das hydrophobe flüssige Medium als Film über die beschichtete Elektrode, mit elektrischem Feld verdrängt das Wasser das hydrophobe Medium, da das elektrische Feld die Polarisation der Dipole in der Wasseroberfläche aufhebt.
Der Lichtmodulator ist unter anderem für Anwendungen in graphischen Farbdisplays im Direktsicht- oder Projektionsmodus mit schnellen Reaktionszeiten und kurzen Bildwiederholraten vorgesehen. Darüber hinaus ist er auch in einem auto- stereoskopischen Display mit sequentieller Bildwiedergabe, für einen steuerbaren Strahlenteiler und zum Umlenken von Lichtstrahlen verwendbar.
Ein an sich bekannter Nachteil von gerasterten Wellenformern besteht darin, dass diese das Licht nicht allein in eine gewünschte Beugungsordnung lenken. Parasitär treten räumlich periodisch stets zusätzliche Beugungsordnungen auf. Die parasitären Beugungsordnungen zeigen abhängig vom optischen System, das den Wellen- former nutzt, verschiedene negative Erscheinungen, wie Verluste in der Lichtintensität und/oder Interaktionen zwischen den Beugungsordnungen. Deshalb sind im Strahlengang von optischen Systemen mit gerasterten Wellenformern oft räumliche Filter, wie Lochblenden oder Lichtfallen zum Unterdrücken parasitärer Beugungsordnungen angeordnet.
Auch bei Wellenformern mit Phasengittern tritt der beschriebene Nachteil von parasitären Beugungsordnungen auf.
Unter einem Phasengitter wird im Sinne dieses Dokumentes ein optisches Beu- gungsgitter verstanden, bei dem die Steuersignale für die Modulatorzellen lokal die Phase, nicht aber die Amplitude, der durchlaufenden Lichtwelle beeinflussen. Wie jedes Beugungsgitter, kann ein Phasengitter sowohl als Transmissionsgitter als auch als Reflexionsgitter ausgeführt sein. Ein Zellenfeld mit einstellbaren Phasengittern hat gegenüber einem einstellbaren Amplitudengitter den Vorteil, dass im Idealfall beim Steuern der Modulatorzellen kein Verlust an Helligkeit gegenüber der eingehenden Wellenfront erfolgt, das heißt, bei einem idealen einstellbaren Phasengitter nimmt beim Steuern die Lichtintensität nicht ab.
Ein Beugungsgitter teilt eingehende Lichtwellen auf ausgehende Elementarwellen auf, welche miteinander interferieren und so abhängig vom Gitterabstand ein Raum- frequenzspektrum bilden. Das Raumfrequenzspektrum bildet mit steigender Gitterkonstante Hauptmaxima schärfer ab und die Zahl von Nebenmaxima nimmt zu, aber deren Intensität wird schwächer. Somit steigt das Auflösungsvermögen.
Das Problem von Wellenfrontformern mit einem steuerbaren Phasengitter besteht nun darin, dass das Beugungsgitter das kohärente Licht der Beleuchtung immer in mehrere Richtungen ablenkt. Falls die Beleuchtung des Phasengitters senkrecht zur Oberfläche erfolgt, dann lenkt das Gitter große Anteile des eingehenden Lichts sowohl in die erste Beugungsordnung +1 als auch in die symmetrisch zur ersten Beugungsordnung liegende Beugungsordnung -1 ab. Mit Hilfe einer an sich bekannten
Struktur des Beugungsgitters kann ungebeugtes Licht und andere parasitäre Beugungsordnungen, beispielsweise durch destruktive Interferenz, unterdrückt werden. Darüber hinaus können bei einer senkrechten Beleuchtung aber auch höhere Ordnungen, wie die Beugungsordnungen +2 und +3 auftreten.
Da in der Regel die Lichtintensitäten der Beugungsordnungen +1 und -1 gleich groß sind und auch Licht in die beschriebenen anderen Beugungsordnungen läuft, entfällt bei einem derart beleuchteten Phasengitter der nutzbare Lichtanteil auf deutlich weniger als 50% des einfallenden Lichtes.
Eine ähnliche Situation tritt ein, wenn die Beleuchtung das Phasengitters unter einem bestimmten Einfallswinkel beleuchtet. Dann treten große Anteile des eingehenden Lichts zu gleichen Anteilen sowohl mit dem gebeugten Licht als auch mit der ersten Beugungsordnung aus dem Gitter aus. Ist die Lichtwellenlänge λ größer als der Gitterabstand, dann kann keine zweite Ordnung existieren, da der Beugungswinkel größer als 90° wäre. In dieser Konfiguration können ohne Raumfiltermittel also störende Beugungsordnungen vermieden werden und hinter dem variablen Gitter der verfügbare Raum für die Ausbreitung der geformten Wellenfront genutzt werden. Die Gitterperiode liegt dabei im Bereich der Wellenlänge. Steuerbare Phasengitter mit Zellenweiten im Bereich der Wellenlänge λ von sichtbarem Licht sind derzeit jedoch noch nicht großflächig realisierbar.
Ein weiteres Problem tritt bei steuerbaren Phasengittern durch eine diskontinuierliche Einstellung innerhalb der Raumfrequenz ein. Eine aus einem steuerbaren Pha- sengitter ausgehende Wellenfront lässt sich nicht kontinuierlich zwischen benachbarte Beugungsordnungen einstellen. Besteht beispielsweise die Forderung, mit einem Phasengitter eine modulierte Wellenfront zu einer beliebigen Position einer Austrittspupille in einem Raum zu lenken, so kann die Wellenfront Positionen, die außerhalb des Raumfrequenzspektrums des Gitters liegen, nicht erreichen.
Kontinuierlich im Sinne dieses Dokumentes bedeutet, die Zellensteuermittel sind vorteilhaft digitale Computermittel, welche durch bekannte Digital - Analogwandlung die steuerbaren Phasengitter mit quantisierten Phasenwerten bzw. auf quantisierte Ablenkwinkel einstellen. Eine „Quasi-Kontinuität" einer Zelleneinstellung wird des-
halb innerhalb einer Genauigkeit von Quantisierungsstufen erreicht, die von der Auflösung des Computermittels abhängen.
Trotzt der beschriebenen Nachteile der gerasterten Wellenformer kann wegen der bereits oben dargestellten anderen Mängel von ungerasterten Wellenformern nicht auf eine Anwendung von gerasterten Wellenformern, insbesondere von Phasenmo- dulatoren, beispielsweise von Phasengittern verzichtet werden.
Die vorliegende Patentanmeldung hat daher die Aufgabe, einen optischen Wellen- former zum Formen von dynamischen Wellenfronten mit regulär in Zellenfeldern angeordneten Lichtmodulatorzellen zu schaffen, welcher die Nachteile von den bekannten Lösungen vermeidet. Insbesondere soll der Wellenformer mit einer Zellenoberfläche beliebiger Größe, die von einer Systemsteuerung mit einer Erneuerungsrate für die Wellenfront von einigen Hundert Bildrahmen dynamisch einstellbar ist, nahezu frei von Lichtverlusten eine Wellenfront formen und diese kontinuierlich auf eine beliebige Position in einem Raum richten. Im Interesse einer großen Einstelldy- namik soll der Wellenformer Krümmungsradien von wenigen Zentimetern bei der geforderten Erneuerungsrate realisieren können und mit einer entsprechenden Größe der Zellenoberfläche auch für eine Anwendung von Direktsichtgeräten für die holographische Rekonstruktion von Szenen mit Videohologrammen geeignet sein.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer optischen Wellenformereinheit gelöst, die im Lichtweg einer Lichtwellenfront nacheinander mehrere dynamisch einstellbare Wellenfrontformer enthält, wobei jeder Wellenfrontformer mindestens ein Zellenfeld mit regulär angeordneten Modulatorzellen für eine räumliche Lichtmodulation aufweist, um für ausgehende Teillichtwellen einer Lichtwellenfront separat sowohl lokal verschiedene Phasenhübe als auch verschiedene Ablenkwinkel einzustellen.
Gemäß eines weiteren Merkmals der Erfindung weist die Wellenformereinheit außerdem Zellensteuermittel auf, welche die Modulatorzellen eines ersten Zellenfeldes so einstellen, dass jede Modulatorzelle des Zellenfeldes separat einen Phasenhub mit einem kontinuierlich einstellbaren Phasenwert realisiert und dass die Modulatorzellen eines zweiten Zellenfeldes für die Teillichtwellen separat einstellbare
Prismenfunktionen mit einem kontinuierlich einstellbaren Ablenkwinkel realisieren. Das erste Zellenfeld arbeitet damit als einstellbares Phasengitter, während das andere als einstellbare Mikroprismenstruktur arbeitet.
Sofern als Zellensteuermittel ein Computermittel, wie ein digitaler Signalprozessor, dient, sind beide Zellenfelder nur innerhalb der Auflösung von digitalen Quantisierungswerten bedingt kontinuierlich einstellbar.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Wellenformereinheit im Lichtweg der Lichtwellenfront Mittel nutzt, welche für die ausgehende Wellenfront eine Fokussierfunktion realisieren, um die Teillichtwellen an einer Ausgangspupille der optischen Einheit zu einer gemeinsamen Position zu führen.
Die Fokussierfunktion kann, sofern die eingehende Wellenfront aus kollimiertem Licht besteht, im einfachsten Fall eine fokussierende Feldlinse, beispielsweise eine Fresnellinse sein, die zusätzlich körperlich im Lichtweg der Lichtwellenfront liegt, jedoch nicht integrierter Bestandteil der Wellenformereinheit sein muss. Für die Fokussierfunktion sind auch Lentikulare oder Linsenfelder geeignet, sofern die Funktion des optischen Systems, in welchem die Wellenformereinheit arbeitet, eine seg- mentierte Beleuchtung der Zellenfelder funktionell zulässt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann jedoch die Fokussierfunktion auch durch die Kodierung eines Zellenfeldes realisiert werden. Beispielsweise können die Zellensteuermittel der Kodierung der Modulatorzellen, welche die einstellbare Prismenfunktion realisieren, eine zusätzliche Fokussierfunktion überlagern.
Um den Aufwand für eine großflächige Feldlinse einzusparen, kann alternativ dazu die Wellenformereinheit gemäß der Erfindung ein weiteres Zellenfeld aufweisen, welches das Zellensteuermittel mit der genannten Fokussierfunktion kodiert. Diese Lösung bietet den Vorteil dass die Wellenformereinheit die Fokusweite des benutzten Systems axial dynamisch anpassen kann.
In einer anderen Ausführung der Erfindung kann der Aufwand zum Adressieren des weiteren Zellenfeld vermieden werden, indem ein weiteres Zellenfeld benutzt wird, bei dem die Steuerelektroden der Modulatorzellen über separate Hardware- Schaltungen miteinander verknüpft sind.
Für die Anwendungen der Wellenformereinheit wird in der Regel eine fokussierende Funktion benötigt, weil sich bei einem idealen Phasengitter die Intensität der übertragenen Lichtwellen nicht abhängig von der Ansteuerung der Modulatorzellen ändert. Das menschliche Auge kann daher die Modulation eines Phasengitters nicht ohne optische Hilfsmittel wahrnehmen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Beugungsfunktion einer Linse zu nutzen, um ein Beugungsbild im Fokus eines optischen Systems zu projizieren, sofern die eingehenden Wellenfronten eben und kollimiert sind. Die Wellenformereinheit gemäß der Erfindung ist besonders vorteilhaft für ein ho- lographisches Rekonstruktionssystem vom Typ eines Direktsichtgerätes nutzbar, welches eine Wellenfront, die von einer Folge von Phasenhologrammen geformt wurde, auf die Augen von Betrachtern fokussiert.
Der Anmelder hat das Prinzip eines solchen holographischen Rekonstruktionssys- tems zum Beispiel in der internationalen Patentanmeldung WO 2004/044659 mit dem Titel „Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen" offenbart. Das Rekonstruktionssystem fokussiert eine mit einer Folge von Videohologrammen modulierte Lichtwellenfront in mindestens einen Sichtbarkeitsbereich. Jeder Sichtbarkeitsbereich definiert dabei eine Augenposition für mindestens ein Auge eines Betrachters, welcher die holographische Rekonstruktion betrachtet. Räumliche Lichtmodulatormittel sind mit Hilfe der Videohologramme so kodiert, dass die modulierte Wellenfront in Folge von Interferenz im Raum zwischen dem räumlichen Lichtmodulator und dem Sichtbarkeitsbereich die Lichtpunkte einer dreidimensionalen Szene holographisch rekonstruiert.
Die Wellenformereinheit gemäß der Erfindung bringt den Vorteil, dass ein holographisches Rekonstruktionssystem ohne optische Fokussiermittel und ohne optische Wellenumlenkung realisierbar ist.
Ein Rekonstruktionssystem entsprechend der internationalen Patentanmeldung WO 2004/044659, wird mit den Mitteln gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgeführt, dass das Zellenfeld, welches die Zellensteuermittel als kontinuierlich einstellbares Phasengitter betreibt, die Zellensteuermittel mit einer Folge von Phasenholo- grammen kodieren. Damit übernimmt das Zellenfeld, das als einstellbares Phasengitter arbeitet, die Funktion eines räumlichen Lichtmodulators.
Im Gegensatz dazu kodieren die Zellensteuermittel das andere Zellenfeld, welches als einstellbare Mikroprismenstruktur arbeitet, um mit den separat eingestellten Pris- men verschiedene Ablenkwinkel für die modulierten Teilwellenfronten kontinuierlich einzustellen und die modulierten Teilwellenfronten auf eine Augenposition zu richten, die innerhalb eines gewünschten Nachführbereiches für Betrachteraugen liegt. Die Wellfrontformereinheit gemäß der Erfindung ermöglicht durch das Zusammenspiel beider Zellenfelder, dass weder optische Mittel zum Fokussieren noch zum Ausrichten und Nachführen der modulierten Wellenfronten erforderlich sind, um die modulierten Teilwellenfronten auf jede gewünschte Augenposition innerhalb des Nachführbereiches für Betrachteraugen zum holographischen Rekonstruieren zurichten.
Das hat den Vorteil, dass Wellenfronten mit Durchmessern von mehreren Dezimetern moduliert und ausgerichtet werden können, ohne dass Aberrationen, welche bei einem Lichtdurchgang der Wellenfronten durch optische Bauelemente schräg zur optischen Achse auftreten würden, ein holographisches Rekonstruieren stören.
Ein weiterer Vorteil der Wellenformereinheit gemäß der Erfindung besteht darin dass die Zellenstrukturen beider Zellenfelder bezüglich der Geometrie gleich sein dürfen. Somit kann für alle Zellenfelder der Wellenformereinheit der gleiche Zellenfeldtyp verwendet werden. Die Zellensteuermittel allein können über verschiedene Kodierungen funktionelle Unterschiede zwischen den Modulatorzellen der Zellenfelder realisieren.
Da in der Regel sowohl das Abbilden von Bildern als auch das holographische Rekonstruieren mit zweidimensionalen, modulierten Wellenfronten erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn zumindest in dem Zellenfeld, welches die Mikroprismenfunktion realisiert,
die Steuerelektroden mit Schaltungen zum Adressieren der Modulatorzellen konstruktiv so ausgeführt sind, dass die Zellenoberflächen lateral zweidimensional kippbar sind, um alle Fokuspunkte abseits der optischen Systemachse zu erreichen. Dieses kann in der Regel dadurch erreicht werden, dass diese Modulatorzellen ein doppeltes Steuerelektrodenpaar mit Schaltungen zum richtungsabhängigen Adressieren der Modulatorzellen erhalten, welche im rechten Winkel zueinander verdrehte elektrische Steuerfelder realisieren und mit separaten Steuersignalen einstellbar sind.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Die dafür benutzten Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
FIG. 1 : ein Beispiel zum graphischen Darstellen einer einzelnen geformten Lichtwellenfront mit lokalen Vektoren 1 FIG. 2: das Funktionsprinzip gemäß der Erfindung mit den wesentlichen
Komponenten für eine bevorzugte Ausführung einer Wellenfor- mereinheit
FIG 3: eine Seitenansicht der Zellenfelder mit jeweils einer Reihe von
Modulatorzellen als Ausschnitt aus einem Zellenfeld mit einge- stellter Prismenfunktion bzw. mit eingestelltem Phasenwert
FIG 4a bis FIG 4c: zeigen graphisch verschieden geformte Ausgangswellenfronten, die mit der Wellenformereinheit gemäß der Erfindung eingestellt werden.
FIG. 1 zeigt ein Beispiel für eine einzelne Form einer Lichtwellenfront WF. Die Form der Lichtwellenfront WF kann lokal durch Vektoren V1 ... Vn für separate Teillichtwellen beschrieben werden. Die Vektoren V1 ... Vn stehen senkrecht auf der propagierenden Wellenfront WF. Jeder Vektoren V1 ... Vn besteht aus einem Normalenvektor mit einer Einheitslänge, der sowohl zur x-z-Ebene als auch zur y-z-Ebene einen Winkel aufweist.
FIG. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung. Die dargestellte Wellenfront- formereinheit enthält gemäß der Erfindung eine ebene Wellenfront WFIN, die kolli- miert in Richtung eines ersten lichtdurchlässigen Zellenfeld A1 und anschließend zu
einem weiteren lichtdurchlässigen Zellenfeld A2 propagiert. Jedes der lichtdurchlässigen Zellenfelder A1 und A2 hat eine Modulationsfläche mit Lichtmodulatorzellen MC1 ... MCn, die jeweils einen Querschnitt von einigen Mikrometern aufweisen und ein lichtdurchlässiges Medium besitzen, dass gegenüber von Luft oder Wasser eine abweichende Wellenausbreitung besitzt. Jede Lichtmodulatorzelle enthält nicht gezeichnete Steuerelektroden, die vorteilhaft auch für eine Feldbeeinflussung, welche lateral, d.h., in zwei Dimensionen (X, Y) verschieden wirkt, ausgelegt sein kann. Eine computergestützte Zellensteuerung μC ändert über Steuerelektroden für jede Lichtmodulatorzelle Länge oder Form des Lichtweges durch das lichtdurchlässige Medi- um. Auf diese Weise kann die Zellensteuerung μC für die Modulatorzellen des Zellenfeldes A1 die Lichtweglänge ändern, um die lokale Phasenlage PH m, PH1 < PHm < PHn der zugeordneten Teil-Wellenfront zu beeinflussen. Unabhängig davon kann die Zellensteuerung μC für die Modulatorzellen des Zellenfeldes A2 die Prismenform ändern, um den lokalen Richtungsvektor am, a1 < am < an für eine ge- wünschte lokale Ausbreitungsrichtung einzustellen und beispielsweise damit richtungsabhängige Wellenausbreitungsfehler zu korrigieren. Dabei teilt die Zellenstruktur grundsätzlich eine eingehende Wellenfront WFIN in ein Bündel von Teillichtfronten auf und bestimmt mit dem Querschnitt und der Anzahl der Modulatorzellen auch die Feldstruktur der Teillichtfronten in der ausgehenden Wellenfront WFOUT.
Sofern die Zellenstrukturen für beide Zellenfelder gleich sind, enthält die Fläche der ausgehenden Wellenfront WFOUT auch die gleiche Feldstruktur wie die Modulatoroberfläche. Damit ist in der ausgehenden Wellenfront WFOUT jeder Teillichtwelle funktionell eine optische Reihenschaltung aus Modulatorzellen zugeordnet.
Während in einem Zellenfeld die Zellensteuerung μC mit einem separaten elektrischen Stellsignalwert den Phasenzustand einer Teillichtwelle in der zugeordneten Modulatorzelle einstellt, beeinflusst die Zellensteuerung μC für die gleiche Teillicht- welle mit der entsprechenden Modulatorzelle im folgenden Zellenfeld mit einem zweiten Stellsignalwert die Ausbreitungsrichtung der Teillichtwelle.
Vorteilhaft besitzt jedes Zellenfeld Zellenadressiermittel, um mit der Zellensteuerung μC die Steuerelektroden jeder Modulatorzelle unabhängig von den anderen Zellen zu adressieren. Damit ist es möglich, an jeder Teillichtwelle, welche von den Zellenfeldern ausgeht, separat sowohl einen eigenen Phasenwert als auch eine eigene Ausbreitungsrichtung einzustellen.
Die Wellenformeinheit kann im Zusammenwirken mit der Zellensteuerung μC und Zellenadressiermitteln einen räumlichen Lichtmodulator realisieren, mit dem dreidimensionale Wellenstrukturen geformt werden. Zum Einstellen der Raumparameter der Lichtwellenfront können der Zellensteuerung μC Datensätze mit komplexen Lichtpunktwerten zugeführt werden, welche die Positionen von gewünschten Lichtpunkten in einem Raum beschreiben.
Da die Wellenfelder der Wellenformeinheit großflächig realisierbar sind und eine hohe Bildwiederholrate aufweisen, kann die Wellenformeinheit besonders günstig für eine holographische Rekonstruktion von Videohologrammen verwendet werden.
Im Gegensatz zu einem Beugungsgitter, welches als so genanntes Blazegitter ausgeführt wird und auf die Gitterbeugung optimiert ist, kann das Zellenfeld für die Prismenfunktion für jede Teilwellenfront separat einen lokalen Richtungsvektoren am realisieren.
Wie alle optischen Gitter besitzen auch die Zellenfelder gemäß der Erfindung auf Grund eines einheitlichen Querschnittes der Modulatorzellen einen konstanten Gitterabstand. Die Lichtaustrittsflächen der Modulatorzellen haben jedoch eine auf ver- schiedene Dachwinkel einstellbare Dachform, die im Querschnitt überwiegend ein nicht gleichseitiges Dreieck formen und eine Modulatoroberfläche mit einer Stufenstruktur bilden.
Durch gezielte Beeinflussung dieser Form der Gitterelemente wird bewirkt, dass die Intensität der gebeugten Strahlung in der gewünschten Beugungsordnung einen Maximalwert annimmt und das Gitter in dem gewünschten Wellenlängenbereich eine hohe Effizienz erreicht.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung, welche die FIGUREN 3a und 3b zeigen, können Modulatorzellen, die als Prismen kodiert sind, in ihrer Funktion auch zusammengefasst werden, um beispielsweise neben einem variablen Dachwinkel auch variable Zellenperioden zu realisieren.
Über einer aus mehreren Modulatorzellen zusammengesetzte synthetische Prismenperiode besteht ein konstanter Dachwinkel. Dieser kann bei den jeweils zu- sammengefassten Modulatorzellen eingestellt werden. Um jedoch ein Oberflächen- reliefgitter mit einem variablen Dachwinkel und variabler Periode nachzubilden, müssen zusammengefasste Modulatorzellen, die innerhalb der synthetischen Periode liegen, in Differenz zueinander Phasenverschiebungen von bis zu 2π realisieren.
Ein kohärent beleuchtetes Zellenfeld, das durch schaltbare Mikroprismen realisiert wird, ist als eine beugende Struktur zu behandeln. Sie zeigt in ihrer Gesamtheit Ei- genschaften, die analog denen von Oberflächenreliefgittern sind, wie beispielsweise eine nicht kontinuierliche Winkelablenkung des modulierten Wellenfeldes. Werden die Prismenwinkel im Zellenfeld geändert, dann ändern sich auch die Beugungswirkungsgrade der einzelnen Beugungsordnungen dieses Wellenfeldes. Das bedeutet, dass die Intensitäten in Bezug auf Winkel, die durch die Gittergleichung festgelegt sind, aufgeteilt und dargestellt werden. Es gibt dadurch immer Stellen zwischen den Beugungsordnungen, an denen keine Lichtenergie ist und deshalb bei Verwendung in einem holografischen 3D-Display kein Betrachterfenster positioniert werden kann. Durch eine Phasenkontinuierung kann dieses Problem kompensiert werden.
Die Phasenkontinuierung ist eine Maßnahme, um bei schaltbaren Mikroprismen das Auftreten der Phasensprünge, die mit dem diskreten Schalten der Ablenkwinkel verbunden sind, zu kompensieren. Das kann erreicht werden, indem benachbarte Mikroprismen eines Zellenfeldes zu einer einzigen Zelle mit einer synthetisch geschaffenen Periode zusammengefasst werden, z.B. 10x10 Mikroprismen für eine 2D- Kodierung oder zeilenweise 1x10 Mikroprismen für eine 1 D-Kodierung. Mit geänderten synthetischen Perioden können kontinuierlich geänderte Ablenkwinkel realisiert werden.
Die Realisierung der Phasenkontinuierung besteht darin, im Zellenfeld zusätzliche, die Phase des Wellenfeldes schiebende Elemente einzuführen. Mit den Mikropris- men und den zusätzlichen Elementen kann die Lage der Beugungsordnungen gezielt lateral verschoben werden. Das Betrachterfenster eines holografischen 3D- Displays, welches sich im Fernfeld des Zellenfeldes zwischen zwei Beugungsordnungen befindet, kann somit kontinuierlich verschoben werden. Dazu wird erfindungsgemäß jedem Mikroprisma ein ansteuerbares, die Phase schiebendes Element zugeordnet. Vorteilhaft ist eine Anordnung im Lichtweg vor dem Zellenfeld der Mikroprismen. Die einzelnen Mikrophsmen sind in der Lage, jeweils in zwei Ebenen lokal einen Winkel einzustellen. Die Phase schiebenden Elemente erzeugen kontinuierliche Phasenwerte im Bereich von bis zu 2π.
Bei zeitlich hinreichend kohärentem Licht muss die Phasenkontinuierung nur modulo 2π erfolgen. Ein Array mit derartigen Elementen ermöglicht es, den Verlauf der Phase im Wellen- feld kontinuierlich zu gestalten und kontinuierliche Phasenübergänge zu erzeugen. Dadurch kann das Wellenfeld auch gezielt dynamisch geformt werden. Ist bei der Rekonstruktion eines 3D-Objekt.es eine Phasenkodierung ausreichend, so stellt das beschriebene Array einen die Phase schiebenden SLM dar, in den Hologramme, d.h. Phasenwerte, eingeschrieben werden können. In einer anderen Ausführung kann der mit ebenen Wellenfeldern beleuchtete SLM auch die Funktion einer Feldlinse realisieren. Auf diese Möglichkeiten wird in den Figuren 4 näher eingegangen.
FIG 4 zeigt verschiedene Möglichkeiten für eine variable Formung einer Wellenfront WF mit der Wellenformereinheit gemäß der Erfindung. Wie FIG. 4a zeigt, kann die Wellenformereinheit eine deformierte Wellenfront ausgleichen.
FIG. 4b zeigt, dass die Wellenformereinheit auch Krümmungen realisieren kann. Auf diese Weise kann beispielsweise durch Kodieren eines Zellenfeldes nahezu jede beliebige Funktion von Fokussierelementen realisiert werden. Da Zellenfelder mit Modulatorzellen mit Querschnitten von wenigen Mikrometern eine hohe Auflösung realisieren, kann die Zellensteuerung μC auch auf einem Zellenfeld die Funktion eines adaptiven Linsenfeldes kodieren, beispielsweise um eine Wellenfront aus ei-
nem Lichtquellenfeld zu speisen, das eine matrixförmige Anordnung mehrerer Lichtquellen enthält.
Dem Steuersignal eines mit Planwellen beleuchteten Zellenfeldes, das mit Bildinfor- mation kodiert ist und damit als Raumlichtmodulator SLM arbeitet, kann zusätzlich eine Linsenfunktion überlagert werden. Damit übernimmt das Zellenfeld beispielsweise zusätzlich die Funktion einer Feldlinse.
Das Zellensteuermittel μC kann deshalb mindestens ein Zellenfeld A1 oder A2 der Wellenformereinheit abhängig von einem aktuellen Videohologramm zumindest teil- weise mit holographischer Information kodieren, so dass mindestens ein Zellenfeld die Funktion eines räumlichen Lichtmodulators in einem holographischen Rekonstruktionssystem übernimmt.
FIG. 4c zeigt, dass die Steuersignale für die Zellensteuerung μC auch eine Kombi- nation von verschieden optischen Funktionen wie Krümmung und Kippung einer Wellenfront realisieren kann. Eine modulierte Wellenfront kann damit auch durch eine entsprechende Steuersignalkomponente an eine bestimmte Raumposition gebracht werden.
Diese Anwendung ist beispielsweise zum Nachführen von holographischen Rekon- struktionen auf die Augen von Betrachtern interessant.
Die Lösung gemäß der Erfindung kann die Wellenfront dynamisch derart verändern, dass innerhalb der einzelnen angesteuerten Modulatorzellen ein Verlauf der Phase realisiert wird, derart, dass der Beugungswirkungsgrad einzelner Beugungsordnun- gen gezielt erhöht wird.
Im Gegensatz zu binär arbeitenden Phasengittern können Zellenfelder, die auf der Basis von steuerbaren Beugungsgittern arbeiten, in einer Beugungsordnung einen Beugungswirkungsgrad nahe von 100 % erreichen.
Mit der Wellenformereinheit gemäß der Erfindung ist es möglich, eine kontinuierliche Phaseneinstellung zu realisieren und somit die Position der genutzten Beugungsordnungen lateral wunschgemäß anzupassen.
Die dynamische Modulation einer Wellenfront kann in Transmission oder in Reflexion erfolgen.
Ein beachtlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der Wellenformeinheit ein besonders flaches und leichtes optisches System mit einem großen Dynamikbereich und einen höheren Beugungswirkungsgrad als bei einer konventionellen binären Phasenmodulation realisierbar ist. Dieses kann schnell Umwelteinflüsse wie Änderungen der lokalen Temperatur, Feuchtegrad, Zusammensetzung und Dichte eines Mediums im Ausbreitungsraum sowie auf eine Dejustage von einzelnen opti- sehen Komponenten des Systems kompensieren. Eine vergrößerte Designfreiheit der Modulation der einfallenden Wellenfront erhält man bei der Einführung von variablen Phasen-, Amplituden- und Winkelwerten.
Vorteilhaft kann auch eine Apodisation der Beleuchtung für die Modulatorzellen be- nutzt werden, um benachbarte Ordnungen zu unterdrücken, wenn diese im optischen System stören bzw. nicht mit einfachen Mitteln auszufiltern sind.