WO2009092692A1 - Beleuchtungseinheit für ein holographisches rekonstruktionssystem - Google Patents

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WO2009092692A1
WO2009092692A1 PCT/EP2009/050556 EP2009050556W WO2009092692A1 WO 2009092692 A1 WO2009092692 A1 WO 2009092692A1 EP 2009050556 W EP2009050556 W EP 2009050556W WO 2009092692 A1 WO2009092692 A1 WO 2009092692A1
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light
focusing
waves
eye position
diffractive optical
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PCT/EP2009/050556
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Stephan Reichelt
Norbert Leister
Hagen Sahm
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Seereal Technologies S.A.
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Definitions

  • the invention relates to a lighting unit for a holographic reconstruction system, which holographically reconstructs a three-dimensional scene.
  • the reconstruction system includes, among other things, light modulation means and a lighting unit.
  • light sources emit coherent light, which coherently illuminates the surface of the light modulation means via optical focusing means.
  • a signal processor for example, calculates at least one video hologram from the image and depth information of a scene and encodes it on a modulator cell structure of spatial light modulator means.
  • a modulated wavefront arises, which holographically reconstructs a three-dimensional scene in front of the eyes of at least one observer.
  • a light modulation means for example, light modulators are well with a picture display solution from several million pixels, which are used in conventional image display devices or projectors for video and TV playback.
  • This relatively low resolution can only sufficiently reconstruct a desired three-dimensional scene if as many pixels of the light modulator reconstruct only the portion of the object light points of the scene that is visible from an eye position of the viewer's eyes in a limited viewer space.
  • the signal processor advantageously codes for each object light point in each case only a spatially limited part hologram in the modulation surface of the light modulation means with hologram information. This has the advantage that the system only reconstructs those points of light which are perceptible from the perspective of an eye position within a visibility range.
  • the invention relates to the optical focusing means in the illumination unit for illuminating the surface of the light modulation means with at least one coherent light wavefront for such a holographic reconstruction system.
  • the applicant has already disclosed in some patent applications, such as in international publication WO 2004/044659 entitled “Video hologram and device for reconstruction of video holograms", a holographic reconstruction system for which the illumination unit according to the invention is advantageously applicable.
  • Publication WO 2004/044659 discloses a reconstruction system which includes a lighting unit with lighting means and focusing means as well as light modulation means.
  • the focusing means is a focusing field lens.
  • the system with a relatively low video hologram modulator resolution of a conventional liquid crystal display in a reconstruction space between the spatial light modulator and a visibility area at an eye position, allows a viewer to visualize a holographically reconstructed scene in a wide viewing angle and with high spatial depth and good resolution for at least one viewer ,
  • the light modulation means modulate the focused lightwave with the coding described above, in which for each object light spot only a limited modulation surface carries the hologram information in the form of a partial hologram.
  • the visibility range arises as a result of Fourier transforms of the sub-holograms superimposed at the focal point of the light wave propagating to an eye position.
  • the focusing means thereby optically realize the required Fourier transformation.
  • the sub-holograms are reduced in calculating so on a part of the total modulation area, that the visibility range is within a diffraction order, which results from the screening of the light modulator means in modulator cells.
  • the disadvantage is that the required light range of the focusing field lens must correspond to the cross section of the light modulation means. As a result, the execution of the system is very bulky, material and costly.
  • Applicant discloses a device that also reduced at least one from the surface of the light modulator for viewing the reconstructed scene Visibility area at an eye position uses. This device also encodes a partial hologram for each visible object light spot.
  • this device contains a light source field with interference-capable mutually incoherent light elements, which is associated with a separate focusing element.
  • the focusing elements are arranged together in a focusing matrix in the form of a lens array with converging lenses.
  • a light element of the light source field acts together with the associated focusing element in the focusing matrix as an elementary illumination unit, which illuminates only a partial area of the surface of the light modulator with a separate partial wave.
  • Each focusing element images its associated light element at the eye position.
  • the light elements are advantageous point light sources, each emitting a spherical wave.
  • the size, shape and position of the partial holograms is not identical to the size, shape and position of the illuminated by the elementary lighting units sections on the surface of the light modulator.
  • the size and position of the partial holograms is essentially defined by the position and technically realizable size of the visibility region in conjunction with the axial and lateral position of the object light point to be reconstructed.
  • the geometric structure of the focusing matrix may be selected according to other technical parameters such as required number of light elements to achieve a desired light density, the desired focal lengths of the focusing means, and other parameters.
  • An essential advantage of the known device is that the interference-capable light elements illuminate different regions of the light modulator in the light source field, so that the resulting partial light waves need not be coherent with one another.
  • a holographic reconstruction with sufficient resolution can only be achieved with a relatively low resolution of the light modulator if the extent of the visibility region is reduced to about the size of an eye pupil. Therefore, to be able to use the reconstruction system conveniently, the system must have a position detection and tracking system which adjusts and tracks the position of the visibility range depending on the current eye position of a viewer.
  • the light elements can be displaced laterally relative to the focusing matrix, ie perpendicular to the optical axis of the system.
  • the separate waves of the elementary lighting units thus pass through their respective focusing element depending on the eye position at different propagation angles.
  • the same problem also occurs in a system which uses a field lens for focusing.
  • the focusing means realizes in the known reconstruction systems various functions, such as collimating the coherent light into a homogeneous light wave, mapping the light sources to an eye position, and optically transforming the light modulator-modulated light wave to the eye position, thereby producing at the eye position the visibility range described above.
  • the focusing means of the known reconstruction systems use optical components which are based on refraction and / or reflection of the light. Therefore, such focusing include refractive or reflective elements such as lenses, prisms, mirrors or deflecting prisms.
  • refractive components can cause significant monochromatic aberrations (eg, spherical aberrations) that depend on the numerical aperture (s). If the modulated wave emanating from the illumination unit is disturbed by aberrations, this results, among other things, in errors in the coincidence of the visibility ranges of different subwaves. That is, the visibility ranges of different partial waves of the illumination devices do not coincide with each other at the eye position. Furthermore, aberrations cause reconstructed points to not appear at the target position and the geometric visual appearance of the reconstructed scene is distorted.
  • monochromatic aberrations eg, spherical aberrations
  • video holograms are illuminated with coherent light of different wavelengths, for example with light waves of the primary colors red, green and blue.
  • Refractive components are known to have a dependence of the refractive index of the light wavelength when passing through the medium of the optical components.
  • the so-called dispersion causes chromatic aberrations (chromatic focus shift) in color reconstructing scenes that can be perceived as disturbing color fringes when viewing the reconstruction of the visibility area.
  • illuminations for light modulating means with refractive optical means are known.
  • US Pat. No. 6,002,520 entitled: "Illumination System for Creating a Desired Irradiance Profile Using Diffractive Optical Elements” discloses an illumination system that provides a desired light distribution profile for a portion of a surface with a single light source.
  • the system utilizes imaging optics to image the light source onto the surface and an array of diffractive elements (DOE) to generate the desired light distribution profile.
  • DOE diffractive elements
  • This lighting unit also requires a large amount of optical components and a large extent in the direction of the optical system axis and thus a large volume to illuminate the surface. It is therefore less suitable for the requirements of a compact holographic reconstruction system.
  • a diffractive optical element is a transmissive or reflective substrate which carries a periodic microstructure to produce the coherent light of a propagating light under the influence of light diffraction Shaping wave.
  • DOE diffractive optical element
  • spatial phase modulations occur on periodic microstructures when optical waves are propagated, as a result of which an interference pattern is formed.
  • Constructive and destructive interferences respectively, allow the propagation of a coherent wave to be defined in a targeted manner when the microstructure of a diffractive optical element is designed accordingly.
  • the light waves can be deflected in different diffraction orders, for example in binary diffractive microstructures. That is, the light distribution of the outgoing light waves is complex.
  • unwanted diffraction orders which cause spurious light and stray light in the system and reduce efficiency, can be suppressed.
  • US Pat. No. 5,589,982 entitled “Polychromate Diffractive Lens” also discloses a diffractive lens for multispectral illumination, which can be used inter alia for an RGB color display device with light having different spectral light components.
  • the lens contains a diffractive microstructure in the form of a Fresnel zone structure.
  • the microstructure has a plurality of zones which direct the light components of different wavelengths of light into a single common focus in a room.
  • the structure pushes the phase dependent on the incident light wave in the lens phase and diffracts the light of each spectral light component on the way to the focus in each case in a different diffraction order.
  • the present invention has the object for a holographic reconstruction system to provide a lighting unit of high efficiency for illuminating the light modulation means, which allows low cost and extremely low construction depth of the holographic reconstruction system and avoids the above-described disadvantages of refractive lens fields.
  • the invention is based on a holographic reconstruction system for the three-dimensional reconstruction of object light points of a scene which contains spatial light modulation means which at least modulate an interference-capable light wave of illumination means with at least one video hologram.
  • Optical focusing means focus the modulated lightwave which contains holographically reconstructed object light spots to at least one eye position of viewer eyes.
  • the system encodes the light modulating means so that the light wave reconstructs the object light points of the scene independently of the alignment and tracking of the light wave, respectively, in front of the eye position.
  • the reconstruction system contains at least one focusing optical field, which has focusing elements arranged in the form of a matrix, and a light source field, which carries light elements which are arranged in the form of a matrix and emit interference-capable light.
  • the focusing elements are arranged in sierstofffeld so that each focusing element is associated with at least one light element from the light source field.
  • the reconstruction system can contain a single focusing means field or a plurality of focusing means and / or focusing means fields arranged one behind the other in the optical path, in order, for example, to realize a multilevel image.
  • the focusing means field is a matrix-like arrangement of diffractive optical elements (DOE) on a transmissive or reflective substrate, which are each associated with a light element from the light source field to each form the coherent light of the associated light element to an interference-capable partial light wave.
  • DOE diffractive optical elements
  • the diffractive optical elements reflect the light sources assigned to them real or virtual or align their associated partial light waves so that a predeterminable illumination wave illuminates the spatial light modulation means, which is composed of the individual sub-waves.
  • the composite illumination wave is preferably flat, spherical or cylindrical.
  • the reconstruction system has only a single focusing means field, a one-stage image of the light sources takes place in the vicinity of the eye position of the eye
  • each focus field diffractive optical element images its associated light element from the light source field at the eye position.
  • the reconstruction system can have a plurality of focusing means and / or focusing means fields arranged one behind the other in the optical path, in order to realize a multi-level image of the light source field in the eye position of the observer.
  • all the light sources can be imaged so infinitely that a plane illumination wave for the spatial light modulator means is composed of the partial light waves.
  • a second imaging stage of the light sources takes place in the eye position of the observer with a further focusing means or focusing means field. It is likewise possible and advantageous to divide the refractive power of the focusing means required for imaging the light sources into the eye position onto the focusing means and focusing means fields used, for example in order to take into account possible production limits of the diffractive structures.
  • focusing means field and / or focusing means are arranged in the vicinity in front of or behind the light modulation means of the reconstruction system.
  • the focus center field illuminates the entire modulator cell area of the light modulator means, and all modulator cells can be used to encode sub-holograms, thereby providing a wide viewing angle for the viewer.
  • the light elements are advantageously point light sources or line light sources, each of which emits a spherical wave or a cylindrical wave.
  • the diffractive optical elements are arranged in a plane and realize the optical function of a curved lens array. This can be realized in particular by the grid dimension of the diffractive optical elements arranged in matrix form relative to the grid dimension of the light elements arranged in matrix form in a lateral direction Direction, that is perpendicular to the optical axis of the system, different dimensions.
  • the modulation means optical deflection may advantageously be in the optical path of the modulated interference-capable light waves after the optical focusing means and the modulation means optical deflection, which contain at least one field with adjustable deflection elements.
  • the focusing means array with diffractive optical elements (DOE) arranged in a matrix implements illumination of the light modulator means with very small aberrations.
  • DOE diffractive optical element
  • Each diffractive optical element (DOE) of the sierstofffeldes generates a partial light wave from the combination then an ideal or at least almost ideal wave for the illumination of the light modulator means is composed.
  • the composite illumination wave may preferably be planar, spherical, cylindrical or otherwise defined.
  • each diffractive optical element optionally in combination with other focusing means or focusing means fields, images its associated light element in space at a common point at the desired eye position.
  • all diffractive optical elements of the focusing means field, together with further focusing means or focusing means fields implement the Fourier transformation required for the holographic reconstruction of the scene.
  • a further feature of the invention utilizes the dependence of the optical behavior of the diffractive optical elements on the use of discrete wavelengths of light. According to the invention, for periodic reconstructions, the periodic microstructures in FIG.
  • Lighting unit outgoing waves of light components with different
  • each wavelength of light has a separate Diffraction order contributes to the desired partial light wave.
  • the periodic microstructures push the phase dependent on the light wave entering the diffractive optical elements in a space-dependent manner and diffract the light of each spectral light component on the way to the focus into a different diffraction order.
  • diffraction orders are selected such that the microstructures deflect the light of the selected discrete light component waves in the same direction in each case and at the same time have a high diffraction efficiency of the selected discrete wavelengths of light.
  • the light of the different spectral light components is guided to a common focal point in space.
  • This common point forms the necessary eye position for viewing the reconstructed scene.
  • the reconstruction system which regenerates a visibility region by means of Fourier transformation, the visibility region arises there.
  • This particular embodiment of the invention avoids both monochromatic aberrations and chromatic aberrations, while theoretically providing nearly 100% diffraction efficiency.
  • the diffractive optical elements of the focusing means may also include prism elements, so-called blaze gratings, which are set exactly to the wavelengths of light for the primary colors used.
  • prism elements so-called blaze gratings, which are set exactly to the wavelengths of light for the primary colors used.
  • the lighting unit according to the invention is used in a holographic reconstruction system comprising a system controller with position detection means and a wave guide for tracking the focus point and the modulated light waves corresponding to the current eye position.
  • the focusing means field and / or focusing means diffractive optical elements in which the diffractive properties of the periodic microstructures contain discretely adjustable microcells.
  • the adjustable microcells can realize controllable optical gratings with prism functions.
  • arrangements of electro-wetting cells with cell sizes of a few micrometers and smaller are suitable for this purpose.
  • PCT / EP2008 / 064052 in connection with the electro-wetting cells reference is made to the not yet published international patent application PCT / EP2008 / 064052.
  • Diffractive optical elements are particularly well-suited for illuminating light modulator means requiring interference-capable illumination, such as holographic reconstruction systems because coherent or at least partially coherent light is used. For colored reconstructions with discrete wavelengths of light, diffractive optical elements that use different orders of diffraction are easy to correct with relatively little effort.
  • a focusing means field according to the invention can be produced by the juxtaposition of a plurality of diffractive optical elements, whereby the individual diffractive elements can each realize the same or different phase functions.
  • the continuous phase function ⁇ (x, y) of a diffractive optical element describes the phase difference between the desired output shaft and the incident wave, ie the phase difference of the wave before and after the diffractive element.
  • An advantage of DOE is that almost any wave fronts can be generated, so that aberration correction is easily possible by using the ideally desired output wave and actual incident wave for the calculation.
  • n is an integer and represents the so-called blaze order
  • the blaze order m is an additional design degree of freedom that can be specifically used according to another feature of the present invention.
  • Different blazed phase profiles ⁇ (x, y) can be generated from one and the same phase function ⁇ (x, y) by choosing higher rather than the otherwise usual first blaze order. If a blazing is performed in a higher order, several discrete wavelengths can be found for which the DOE realizes the same desired wavefront with the same high diffraction efficiency.
  • diffraction orders of relatively small blaze order may be selected, for example the fifth, sixth and seventh diffraction orders. This simplifies the production of the focusing agent field.
  • phase modulation of the diffracted at the DOE wave is advantageously carried out by a surface microstructure on the DOE substrate.
  • phase modulation can be realized by refractive index modulation in the substrate or a thin layer on the substrate.
  • the described diffractive optical elements achieve diffraction efficiencies in the range of 95-99% for the selected discrete wavelengths.
  • the achievable diffraction efficiency is significantly determined by the tolerances of the manufacturing process for the diffractive structures.
  • the invention makes it possible to advantageously produce a lighting unit for a holographic reconstruction system, which allows a very small overall depth of the entire system.
  • the axial depth of the illumination unit can be drastically reduced because the feasible depth is determined only by a reasonable compromise between the number of light elements in the light source field and the size of a single diffractive optical element.
  • the lighting elements in the lighting devices be implemented in the form of point or line light sources which simultaneously or sequentially emit the three primary colors required for color reconstruction at an origin point.
  • Such colored point light sources can be realized, for example, as ends of fiber bundles or waveguides.
  • the light elements can illuminate the focusing elements directly or by deflecting means such as optical waveguides.
  • microstructures In order to produce defined microstructures on surfaces with heights in the range of a few microns and lateral dimensions in the range of a few microns to a few hundred microns, a variety of methods are known, such as photolithographic methods or laser, electron, ion beam or single-grained diamond Rotate.
  • microstructures can be fabricated using a master, which is then inexpensively molded in a mass replication process, or direct photolithographic fabrication without a master.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a holographic reconstruction system in which the illumination unit according to the invention is used.
  • the essential function of the reconstruction system has already been disclosed by the applicant in international patent application WO 2006/119920 entitled "Device for Holography Reconstruction of Three-Dimensional Scenes".
  • the lighting unit according to the invention shows in the drawing by way of example only three light elements LE1... LE3 of a light source field which is embodied in two dimensions in practice and which carries light elements LE1... LEn arranged in matrix form.
  • Each light element LE m is assigned a diffractive optical element DOE as a focusing element DOE1... DOE3 in a focusing medium field 2.
  • DOE3 image the light elements LE1 ... LE3 by the unillustrated modulator cells of a spatial light modulator SLM onto a common focal point 4 or implement the first stage of a multistage image by mapping, for example, to infinity and the image to a common focal point by another focusing means (not shown).
  • the focus point 4 simultaneously represents an eye position of the eye of an observer.
  • the interference-capable waves illuminate subregions of the light modulator SLM, which codes with the sub-holograms H1... H3 of object light points P1... P3 of a scene to be reconstructed, as shown by way of example in FIG is.
  • the Fourier transformation of the partial holograms H1... H3 which realize the focusing elements DOE1...
  • DOE3 optionally by combination with a further focusing means, of the light modulator regions which are illuminated and coded by the partial light waves W1 Visibility area 5 at the focal point 4.
  • the extent of the visibility area 5 is defined by the extent of the partial holograms H1... H3.
  • another synthetic design wavelength may be chosen as well. This may be advantageous if light sources of different wavelengths are available at all or less expensive, more than three different wavelengths to be used or a larger color space to be realized.
  • the dashed line shows, for comparison, the behavior of a conventional diffractive optical element used in the first blaze order with significantly reduced wavelength sensitivity with respect to the illumination wavelength.
  • the diagram further illustrates that the higher the blaze order chosen, the more the diffraction efficiency is dependent on small wavelength variations. That is, for the three exemplarily chosen wavelengths, the diffractive optical element is most sensitive to wavelength fluctuations in the blue spectral region, since the ninth blaze order was chosen for blue. In the red spectral region, minor changes do not have that much effect on reduced diffraction efficiency. It is therefore advantageous to use Blaze orders as low as possible in order to minimize this effect.

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Abstract

Eine Einrichtung zum Rekonstruieren von computergenerierten Videohologrammen hat die Aufgabe in einem Display mit geringerer Bautiefe, niedrigerem Gewicht und reduziertem Aufwand bei der Herstellung aus bandbreitenlimitierten Hologrammen mit hoher Leuchtstärke und Bildqualität zu rekonstruieren. Die Einrichtung weist ein Fokusmittelfeld (2) mit diffraktiven optischen Elementen (DOE 1... 3) auf, welche kohärentes Licht nach Modulation durch eine mit einem Videohologramm kodierte Lichtmodulatormatrix (SLM) zu einer Augenposition (4) lenken, wobei das Licht eine dreidimensionale Szene in dem vom Betrachterfenster und dem Lichtmodulator (SLM) aufgespannten Raum rekonstruiert.

Description

Beleuchtungseinheit für ein holographisches Rekonstruktionssystem
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit für ein holographisches Rekonstruktionssystem, das eine dreidimensionale Szene holographisch rekonstruiert. Das Rekonstruktionssystem enthält unter anderem Lichtmodulationsmittel und eine Beleuchtungseinheit. In der Beleuchtungseinheit emittieren Lichtmittel kohärentes Licht, welches über optische Fokussiermittel die Oberfläche der Lichtmodulationsmittel kohärent beleuchtet. Zum Rekonstruieren kalkuliert ein Signalprozessor beispielsweise aus der Bild- und Tiefen Information einer Szene wenigsten ein Videohologramm und kodiert diese auf einer Modulatorzellenstruktur von räumlichen Lichtmodulationsmitteln. Beim Beleuchten der Lichtmodulationsmittel mit kohärentem Licht entsteht eine modulierte Wellenfront, welche vor den Augen wenigstens eines Betrachters eine dreidimensionale Szene holographisch rekonstruiert.
Als Lichtmodulationsmittel eignen sich beispielsweise Lichtmodulatoren mit einer Bildauflauflösung ab mehreren Millionen Pixeln gut, die in konventionellen Bildwiedergabegeräten oder Projektoren für eine Video- und TV-Wiedergabe benutzt werden. Diese relativ geringe Auflösung kann eine gewünschte dreidimensionale Szene nur ausreichend rekonstruieren, wenn möglichst viele Pixel des Lichtmodulators nur den Anteil der Objektlichtpunkte der Szene rekonstruieren, der von einer Augenposition der Betrachteraugen aus in einem begrenzten Betrachterraum sichtbar ist. Im Gegensatz zu konventionellen Hologrammen kodiert der Signalprozessor dafür vorteilhaft für jeden Objektlichtpunkt jeweils nur ein räumlich begrenztes Teilhologramm in der Modulationsfläche der Lichtmodulationsmittel mit Hologramminformation. Das hat den Vorteil, dass das System nur solche Lichtpunkte rekonstruiert, welche aus der Perspektive einer Augenposition innerhalb eines Sichtbarkeitsbereichs wahrnehmbar sind.
Die Erfindung betrifft im Besonderen die optischen Fokussiermittel in der Beleuchtungseinheit zum Beleuchten der Oberfläche der Lichtmodulationsmittel mit mindestens einer kohärenten Lichtwellenfront für ein derartiges holographisches Rekonstruktionssystem. Der Anmelder hat bereits in einigen Patentanmeldungen, wie beispielsweise in der internationalen Veröffentlichung WO 2004/044659 mit der Bezeichnung "Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen" ein holographisches Rekonstruktionssystem offenbart, für das die Beleuchtungseinheit gemäß der Erfindung vorteilhaft anwendbar ist.
Die Veröffentlichung WO 2004/044659 offenbart ein Rekonstruktionssystem, welches eine Beleuchtungseinheit mit Lichtmitteln und Fokussiermitteln sowie Lichtmodulationsmittel enthält. Bei diesem Rekonstruktionssystem ist das Fokussiermittel eine fokussierende Feldlinse. Das System ermöglicht mit einer für Videohologramme relativ geringen Modulatorauflösung eines konventionellen Flüssigkristall-Displays in einem Rekonstruktionsraum zwischen dem räumlichen Lichtmodulator und einem Sichtbarkeitsbereich an einer Augenposition eine holographisch rekonstruierte Szene in einem weiten Blickwinkel und mit hoher Raumtiefe bei guter Auflösung für wenigsten einen Betrachter sichtbar zu machen. Die Lichtmodulationsmittel modulieren die fokussierte Lichtwelle mit der oben beschriebenen Kodierung, bei der für jeden Objektlichtpunkt nur eine begrenzte Modulationsfläche die Hologramminformation in Form eines Teilhologramms trägt. Der Sichtbarkeitsbereich entsteht als Ergebnis von Fourier-Transformationen der Teilhologramme, welche sich im Fokuspunkt der Lichtwelle, die sich zu einer Augenposition ausbreitet, überlagern. Die Fokussiermittel realisieren dabei optisch die erforderliche Fourier-Transformation. Die Teilhologramme werden beim Berechnen so auf einen Teil der gesamten Modulationsfläche reduziert, dass der Sichtbarkeitsbereich innerhalb einer Beugungsordnung liegt, welche durch die Rasterung der Lichtmodulationsmittel in Modulatorzellen entsteht.
Von Nachteil ist, dass die benötigte Lichtweite der fokussierenden Feldlinse dem Querschnitt der Lichtmodulationsmittel entsprechen muss. Dadurch wird die Ausführung des Systems sehr voluminös, material- und kostenaufwendig.
In der älteren internationalen Veröffentlichung WO 2006/119920 mit dem Titel
.Device for Holographie Reconstruction of Three-Dimensional Scenes' offenbart der Anmelder ein Gerät, das zum Betrachten der rekonstruierten Szene ebenfalls wenigsten einen gegenüber der Fläche des Lichtmodulators reduzierten Sichtbarkeitsbereich an einer Augenposition nutzt. Auch dieses Gerät kodiert für jeden sichtbaren Objektlichtpunkt ebenfalls ein Teilhologramm.
Anstelle einer einzelnen Lichtquelle enthält dieses Gerät ein Lichtquellenfeld mit interferenzfähigen untereinander nicht kohärenten Lichtelementen, welchen jeweils ein separates Fokussierelement zugeordnet ist. Die Fokussierelemente sind gemeinsam in einer Fokussiermatrix in Form eines Linsenfeldes mit Sammellinsen angeordnet. Jeweils ein Lichtelement des Lichtquellenfeldes wirkt gemeinsam mit dem zugeordneten Fokussierelement in der Fokussiermatrix wie eine elementare Beleuchtungseinheit, welche mit einer separaten Teilwelle jeweils nur einen Teilbereich der Oberfläche des Lichtmodulators beleuchtet. Jedes Fokussierelement bildet sein zugeordnetes Lichtelement an der Augenposition ab. Die Lichtelemente sind vorteilhaft Punktlichtquellen, die jeweils eine Kugelwelle emittieren.
Die Größe, Form und Lage der Teilhologramme ist nicht mit der Größe, Form und Lage der durch die elementaren Beleuchtungseinheiten beleuchteten Teilbereiche auf der Oberfläche des Lichtmodulators identisch. Die Größe, und Lage der Teilhologramme wird im Wesentlichen durch die Position und technisch realisierbaren Größe des Sichtbarkeitsbereiches in Verbindung mit der axialen und lateralen Position des zu rekonstruierenden Objektlichtpunktes definiert. Die geometrische Struktur der Fokussiermatrix kann nach anderen technischen Parametern, wie erforderliche Anzahl von Lichtelementen, um eine gewünschte Lichtdichte zu erreichen, die erwünschten Brennweiten der Fokussiermittel und andere Parameter gewählt werden.
Ein wesentlicher Vorteil des bekannten Gerätes besteht darin, dass die interferenzfähigen Lichtelemente im Lichtquellenfeld jeweils verschiedene Bereiche des Lichtmodulators beleuchten, so dass die dabei entstehenden Teillichtwellen untereinander nicht kohärent sein müssen.
Eine holographische Rekonstruktion mit ausreichender Auflösung ist jedoch mit einer relativ geringen Auflösung des Lichtmodulators nur realisierbar, wenn die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereiches etwa auf die Größenordnung einer Augenpupille reduziert ist. Um das Rekonstruktionssystem komfortabel nutzen zu können, muss das System deshalb ein Positionserkennungs- und Nachführsystem aufweisen, welches die Position des Sichtbarkeitsbereiches abhängig von der aktuellen Augenposition eines Betrachters anpasst und nachführt.
In einer Ausführungsform der Beleuchtungseinheit können dafür die Lichtelemente gegenüber der Fokussiermatrix lateral, also senkrecht zur optischen Achse des Systems verschoben werden. Damit durchlaufen die separaten Wellen der elementaren Beleuchtungseinheiten abhängig von der Augenposition unter verschiedenen Ausbreitungswinkeln jeweils ihr entsprechendes Fokussierelement. Das gleiche Problem tritt auch bei einem System auf, welches zum Fokussieren eine Feldlinse nutzt.
Das Fokussiermittel realisiert in den bekannten Rekonstruktionssystemen verschiedene Funktionen, wie ein Kollimieren des kohärenten Lichts zu einer homogenen Lichtwelle, ein Abbilden der Lichtquellen auf eine Augenposition und ein optisches Transformieren der vom Lichtmodulator modulierten Lichtwelle zur Augenposition, wodurch an der Augenposition der oben beschriebenen Sichtbarkeitsbereich entsteht. Die Fokussiermittel der bekannten Rekonstruktionssysteme nutzen hierfür optische Komponenten, welche auf einer Brechung und/oder Reflexion des Lichtes beruhen. Deshalb enthalten derartige Fokussiermittel refraktive bzw. reflektive Elemente wie Linsen, Prismen, Spiegel oder Umlenkprismen.
Dieses hat den Nachteil, dass eine Beleuchtungseinheiten mit refraktiven Komponenten in den Fokussiermitteln einen erheblichen Anteil am Gesamtvolumen eines holographischen Rekonstruktionssystems belegt, wodurch das System nur recht sperrig realisiert werden kann.
Ein weiterer Nachteil von refraktiven Komponenten besteht darin, dass diese erhebliche monochromatische Aberrationen (z.B. sphärische Aberrationen) bewirken können, welche von der numerischen Apertur bzw. den Ausbreitungswinkeln abhängen. Wenn die von der Beleuchtungseinheit ausgehende modulierte Welle durch Aberrationen gestört ist, hat dieses unter anderem Fehler in der Koinzidenz der Sichtbarkeitsbereiche von verschiedenen Teilwellen zur Folge. Das heißt, die Sichtbarkeitsbereiche von verschiedenen Teilwellen der Beleuchtungseinrichtungen fallen an der Augenposition nicht aufeinander. Ferner bewirken Aberrationen, dass rekonstruierte Punkte nicht an der Sollposition erscheinen und die geometrische optische Erscheinung der rekonstruierten Szene verzerrt ist.
Im Extremfall können die Fehlpositionen von rekonstruierten Lichtpunkten so groß sein, dass einzelne rekonstruierte Lichtpunkte vom Betrachterauge im Sichtbarkeitsbereich nicht wahrgenommen werden können.
Um eine Szene farbig zu rekonstruieren, werden beispielsweise Videohologramme mit kohärentem Licht verschiedener Wellenlängen beleuchtet, beispielsweise mit Lichtwellen der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Refraktive Komponenten weisen bekanntlich eine Abhängigkeit der Brechzahl von der Lichtwellenlänge beim Durchgang durch das Medium der optischen Komponenten auf. Die sogenannte Dispersion bewirkt chromatische Aberrationen (chromatische Fokusverschiebung) beim farbigen Rekonstruieren von Szenen, die beim Betrachten der Rekonstruktion aus dem Sichtbarkeitsbereich als störende Farbsäume wahrnehmbar sein können.
Neben Beleuchtungen für Lichtmodulationsmittel mit refraktiven optischen Mitteln sind auch Beleuchtungen mit diffraktiven optischen Elementen bekannt. So ist beispielsweise aus dem US-Patentdokument 6,002,520 mit dem Titel: .Illumination System for Creating a Desired Irradiance Profile Using Diffractive Optical Elements' ein Beleuchtungssystem bekannt, dass mit einer einzigen Lichtquelle ein gewünschtes Lichtverteilungsprofil für einen Teil einer Oberfläche bereitstellt. Das System nutzt eine Abbildungsoptik zum Abbilden der Lichtquelle auf die Oberfläche und ein Array mit diffraktiven Elemente (DOE) zum Generieren des gewünschten Lichtverteilungsprofils.
Auch diese Beleuchtungseinheit benötigt einen hohen Aufwand an optischen Bauelementen und eine große Ausdehnung in Richtung der optischen Systemachse und damit ein großes Volumen, um die Oberfläche zu beleuchten. Es ist deshalb für die Anforderungen an ein kompaktes holographisches Rekonstruktionssystem wenig geeignet.
Im Sinne dieser Erfindung ist ein diffraktives optisches Element (DOE) ein transmissives oder reflektives Substrat, welches eine periodische Mikrostruktur trägt, um unter dem Einfluss von Lichtbeugung das kohärente Licht einer propagierenden Welle zu formen. In Folge unterschiedlicher Weglängen in der propagierenden Lichtwelle entstehen an periodischen Mikrostrukturen beim Ausbreiten von Lichtwellen örtliche Phasenmodulationen, wodurch sich ein Interferenzmuster herausbildet. Konstruktive bzw. destruktive Interferenzen ermöglichen bei einer entsprechenden Gestaltung der Mikrostruktur eines diffraktiven optischen Elements die Ausbreitung einer kohärenten Welle zielgerichtet zu definieren. Durch Beugung an den zweidimensionalen periodischen Mikrostrukturen eines diffraktiven optischen Elementes mit Perioden im Mikrometerbereich und/oder im Bereich der Lichtwellenlänge können die Lichtwellen in verschiedenen Beugungsordnungen abgelenkt werden, beispielsweise bei binären diffraktiven Mikrostrukturen. Das heißt, die Lichtverteilung der ausgehenden Lichtwellen ist komplex. Die Auswahl einer entsprechenden periodischen Mikrostruktur, wie beispielsweise eine Mikroprismenstruktur, ein sogenanntes .Blazegitter', beeinflusst die propagierende Wellen zielgerichtet. Damit können unerwünschte Beugungsordnungen, welche Stör- und Streulicht im System hervorrufen und die Effizienz senken, unterdrückt werden.
Aus der US-Patentanmeldung US 55 89 982 mit dem Titel , Polychromate Diffractive lens' ist außerdem eine diffraktive Linse für eine multispektrale Beleuchtung bekannt, welche unter anderem für eine RGB-Farbanzeigegerät mit Licht mit verschiedenen spektralen Lichtkomponenten nutzbar ist. Die Linse enthält eine diffraktive Mikrostruktur in Form einer Fresnel-Zonen-Struktur. Die Mikrostruktur weist eine Mehrzahl von Zonen auf, welche die Lichtkomponenten von verschiedenen Lichtwellenlängen in einen einzigen gemeinsamen Fokus in einem Raum richten. Die Struktur schiebt bei der in die Linse einfallenden Lichtwelle raumabhängig die Phase und beugt das Licht jeder spektralen Lichtkomponente auf dem Weg zum Fokus jeweils in eine andere Beugungsordnung.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe für ein holographisches Rekonstruktionssystem eine Beleuchtungseinheit hoher Effizienz zum Beleuchten der Lichtmodulationsmittel zu schaffen, die kostengünstig und mit geringem materiellen Aufwand eine extrem geringe Bautiefe des holographisches Rekonstruktionssystems ermöglicht und die oben dargestellten Nachteile von refraktiven Linsenfeldern vermeidet. Die Erfindung geht von einem holographischen Rekonstruktionssystem zum dreidimensionalen Rekonstruieren von Objektlichtpunkten einer Szene aus, das räumliche Lichtmodulationsmittel enthält, welche wenigstens eine interferenzfähige Lichtwelle von Beleuchtungsmitteln mit wenigstens einem Videohologramm modulieren. Optische Fokussiermittel fokussieren die modulierte Lichtwelle, welche holographisch rekonstruierte Objektlichtpunkte zu mindestens einer Augenposition von Betrachteraugen enthält. Das System kodiert die Lichtmodulationsmittel so, dass die Lichtwelle die Objektlichtpunkte der Szene unabhängig vom Ausrichten und Nachführen der Lichtwelle jeweils vor der Augenposition rekonstruieren.
Das Rekonstruktionssystem enthält zumindest ein optisches Fokussiermittelfeld, welches matrixförmig angeordnete Fokussierelemente aufweist, sowie ein Lichtquellenfeld, welches matrixförmig angeordnete Lichtelemente trägt, welche interferenzfähiges Licht emittieren. Die Fokussierelemente sind im Fokussiermittelfeld so angeordnet, dass jedem Fokussierelement mindestens ein Lichtelement aus dem Lichtquellenfeld zugeordnet ist. Das Rekonstruktionssystem kann ein einzelnes Fokussiermittelfeld oder mehrere im optischen Weg hintereinander angeordnete Fokussiermittel und/oder Fokussiermittelfelder enthalten, um beispielsweise eine mehrstufige Abbildung zu realisieren.
Gemäß der Erfindung ist das Fokussiermittelfeld eine matrixförmige Anordnung von diffraktiven optischen Elementen (DOE) auf einem transmissiven oder reflektiven Substrat, welche jeweils einem Lichtelement aus dem Lichtquellenfeld zugeordnet sind, um das kohärente Licht des zugeordneten Lichtelementes jeweils zu einer interferenzfähigen Teillichtwelle zu formen.
Die diffraktiven optischen Elemente bilden die ihnen zugeordneten Lichtquellen reell oder virtuell ab bzw. richten die ihnen zugeordneten Teillichtwellen so aus, dass eine vorgebbare Beleuchtungswelle das räumliche Lichtmodulationsmittel beleuchtet, welche aus den einzelnen Teilwellen zusammengesetzt ist. Die zusammengesetzte Beleuchtungswelle ist dabei vorzugsweise eben, sphärisch oder zylindrisch.
Weist das Rekonstruktionssystem lediglich ein einzelnes Fokussiermittelfeld auf, erfolgt eine einstufige Abbildung der Lichtquellen in die Nähe der Augenposition des
Betrachters, d.h. alle Teilwellen werden so ausgerichtet, dass diese nach dem Beleuchten von Teilbereich der Oberfläche der Modulationsmittel an der Augenposition in einem gemeinsamen Fokuspunkt koinzidieren. In diesem Fall bildet jedes diffraktive optische Element aus Fokussiermittelfeld sein zugeordnetes Lichtelement aus dem Lichtquellenfeld an der Augenposition ab.
Alternativ kann das Rekonstruktionssystem mehrere im optischen Weg hintereinander angeordnete Fokussiermittel und/oder Fokussiermittelfelder aufweisen, um eine mehrstufige Abbildung des Lichtquellenfeldes in die Augenposition des Betrachters zu realisieren. Beispielsweise können in einer ersten Stufe der Abbildung alle Lichtquellen derart ins Unendliche abgebildet werden, dass eine ebene Beleuchtungswelle für das räumliche Lichtmodulationsmittel aus den Teillichtwellen zusammengesetzt wird. In diesem Fall erfolgt eine zweite Abbildungsstufe der Lichtquellen in die Augenposition des Betrachters mit einem weiteren Fokussiermittel oder Fokussiermittelfeld. Ebenso ist es möglich und vorteilhaft die für die Abbildung der Lichtquellen in die Augenposition erforderliche Brechkraft der Fokussiermittel auf die verwendeten Fokussiermittel und Fokussiermittelfelder aufzuteilen, beispielsweise um eventuelle Herstellungsgrenzen der diffraktiven Strukturen zu berücksichtigen.
Vorteilhaft sind Fokussiermittelfeld und/oder Fokussiermittel in der Nähe vor oder hinter den Lichtmodulationsmitteln des Rekonstruktionssystems angeordnet. Dadurch beleuchtet das Fokussiermittelfeld die gesamte Modulatorzellenfläche der Lichtmodulationsmittel und alle Modulatorzellen können zum Kodieren von Teilhologrammen benutzt werden, wodurch ein weiter Blickwinkel für den Betrachter entsteht.
Die Lichtelemente sind vorteilhaft Punktlichtquellen oder Linienlichtquellen, die jeweils eine Kugelwelle bzw. eine Zylinderwelle emittieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die diffraktiven optischen Elemente in einer Ebene angeordnet und realisieren die optische Funktion eines gewölbten Linsenarrays. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, indem das Rastermaß der matrixförmig angeordneten diffraktiven optischen Elemente relativ zu dem Rastermaß der matrixförmig angeordneten Lichtelementen in lateraler Richtung, also senkrecht zur optischen Achse des Systems, unterschiedlich dimensioniert ist.
Um die modulierten Lichtwelle auf mindestens eine Augenposition ausgerichteten und fokussierten Teillichtwellen bei Positionswechsel der aktuellen Augenposition nachzuführen, können vorteilhaft im Lichtweg der modulierten interferenzfähigen Lichtwellen nach den optischen Fokussiermitteln und nach den Modulationsmitteln optische Ablenkmittel liegen, welche wenigstens ein Feld mit einstellbaren Ablenkelementen enthalten.
Im Gegensatz zu bekannten Beleuchtungseinheiten realisiert bei der vorliegenden Erfindung das Fokussiermittelfeld mit matrixförmig angeordneten diffraktiven optischen Elementen (DOE) eine Beleuchtung der Lichtmodulatormittel mit sehr geringen Aberrationen. Jedes diffraktive optische Element (DOE) des Fokussiermittelfeldes erzeugt eine Teillichtwelle aus deren Kombination dann eine ideale oder zumindest nahezu ideale Welle zur Beleuchtung der Lichtmodulationsmittel zusammengesetzt wird. Die zusammengesetzte Beleuchtungswelle kann vorzugsweise eben, sphärisch, zylindrisch oder auch anderweitig definiert geformt sein. Außerdem bildet jedes diffraktive optische Element, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Fokussiermitteln oder Fokussiermittelfeldern, sein zugeordnetes Lichtelement im Raum an einem gemeinsamen Punkt, an der erwünschten Augenposition ab. Alle diffraktiven optischen Elemente des Fokussiermittelfeldes realisieren gegebenenfalls gemeinsam mit weiteren Fokussiermitteln oder Fokussiermittelfeldern, die für die holographische Rekonstruktion der Szene erforderliche Fourier-Transformation.
Da für ein farbiges holographisches Rekonstruieren mit allen gewünschten Farben nur eine Beleuchtung mit drei diskreten Lichtwellenlängen nötigt ist, nutzt ein weiteres Merkmal der Erfindung die Abhängigkeit des optischen Verhaltens der diffraktiven optischen Elemente vom Benutzen diskreter Lichtwellenlängen. Gemäß der Erfindung sind für farbige Rekonstruktionen die periodischen Mikrostrukturen im
Fokussiermittelfeld für den Betrieb mit verschiedenen diskreten Spektralwellenlängen dimensioniert und so ausgeführt, dass die von der
Beleuchtungseinheit ausgehenden Wellen von Lichtkomponenten mit verschiedenen
Lichtwellenlängen jeder Lichtwellenlänge jeweils über eine separate Beugungsordnung zur gewünschten Teillichtwelle beiträgt. Die periodischen Mikrostrukturen schieben bei der in die diffraktiven optischen Elemente einfallenden Lichtwelle raumabhängig die Phase und beugen das Licht jeder spektralen Lichtkomponente auf dem Weg zum Fokus jeweils in eine andere Beugungsordnung.
Diese Beugungsordnungen sind so ausgewählt, dass die Mikrostrukturen das Licht der gewählten diskreten Lichtkomponentenwellen in jeweils die gleiche Richtung ablenken und gleichzeitig eine hohe Beugungseffizienz der gewählten diskreten Lichtwellenlängen aufweisen. Wahlweise in Kombination mit weiteren Fokussiermitteln oder Fokussiermittelfeldern wird das Licht der unterschiedlichen spektralen Lichtkomponenten zu einem gemeinsamen Fokuspunkt im Raum geführt.
Dieser gemeinsame Punkt bildet die notwendige Augenposition zum Betrachten der rekonstruierten Szene. Beim Rekonstruktionssystem, welches durch Fourier- Transformation einen Sichtbarkeitsbereich regeneriert, entsteht dort der Sichtbarkeitsbereich. Diese besondere Ausführung der Erfindung vermeidet sowohl monochromatische Aberrationen als auch chromatische Aberrationen und stellt gleichzeitig theoretisch eine nahezu 100%ige Beugungseffizienz bereit.
Die diffraktiven optischen Elemente des Fokussiermittels können auch Prismenelemente beinhalten, sogenannte Blazegitter, die exakt nur auf die Lichtwellenlängen für die benutzten Grundfarben eingestellt sind. So gelangen nur Lichtanteile der Lichtelemente in den gewünschten Beugungsordnungen zum Fokuspunkt und Lichtverluste und Störungen in Beugungsordnungen, die nicht zur Rekonstruktion beitragen können oder beim Rekonstruieren nicht erwünscht sind, werden verhindert bzw. unterdrückt.
Nach einem weitern Merkmal der Erfindung, ist die Beleuchtungseinheit gemäß der Erfindung in einem holographischen Rekonstruktionssystem eingesetzt, das eine Systemsteuerung mit Positionserfassungsmitteln und eine Wellennachführung aufweist für ein Nachführen des Fokuspunktes und der modulierten Lichtwellen entsprechend der aktuellen Augenposition.
Um die Lage des gemeinsamen Fokuspunktes im Raum an die aktuelle Augenposition anzupassen, weist das Fokussiermittelfeld und/oder Fokussiermittel diffraktive optische Elemente (DOE) auf, bei dem die diffraktiven Eigenschaften der periodischen Mikrostrukturen diskret einstellbare Mikrozellen enthalten.
Um die modulierten, fokussierten Lichtwellen vor dem Rekonstruieren der Szene lateral auf die aktuelle Augenposition auszurichten, können die einstellbare Mikrozellen steuerbare optische Gitter mit Prismenfunktionen realisieren. Dafür eignen sich beispielsweise Anordnungen von Elektro-Benetzungs-Zellen mit Zellgrößen von wenigen Mikrometern und kleiner. Lediglich beispielhaft wird im Zusammenhang mit den Elektro-Benetzungs-Zellen auf die noch nicht veröffentlichte internationale Patentanmeldung PCT/EP2008/064052 verwiesen.
Diffraktive optische Elemente sind für die Beleuchtung von Lichtmodulatormitteln die eine interferenzfähige Beleuchtung benötigen, wie holographische Rekonstruktionssysteme besonders gut geeignet da kohärentes oder zumindest teilköhärentes Licht verwendet wird. Für farbige Rekonstruktionen mit diskreten Lichtwellenlängen sind diffraktive optische Elemente, die verschiedene Beugungsordnungen nutzen, mit relativ geringem Aufwand gut zu korrigieren.
Beispielhaft erfolgt nun die Beschreibung zur Berechnung eines einzelnen diffraktiven optischen Elementes. Es ist für den Fachmann einleuchtend, dass ein Fokussiermittelfeld gemäß der Erfindung durch das seitliche Aneinanderfügen mehrerer diffraktiven optischen Elemente erzeugt werden kann, wobei die einzelnen diffraktiven Elemente jeweils gleiche oder unterschiedliche Phasenfunktionen realisieren können.
Die kontinuierliche Phasenfunktion φ(x,y) eines diffraktiven optischen Elementes beschreibt die Phasendifferenz zwischen gewünschter Ausgangswelle und der einfallenden Welle, d.h. die Phasendifferenz der Welle vor und nach dem diffraktiven Element. Ein Vorteil von DOE ist, dass nahezu beliebige Wellenfronten zu erzeugt werden können, wodurch eine Aberrationskorrektur einfach möglich ist indem die ideal gewünschte Ausgangswelle und tatsächlich vorliegende Einfallswelle zur Berechnung verwendet werden. Die kontinuierliche Phasenfunktion φ(x,y) wird in einem weiteren Schritt, der sogenannten Blazeprozedur, in ein modulo m-2% Phasenprofil überführt, welches durch Ψ(x,y) = φ(x,y) mod(m-2π) beschrieben werden kann. Dabei ist m eine ganze Zahl und stellt die sogenannte Blaze-Ordnung dar. Die Blaze-Ordnung m ist ein zusätzlicher Designfreiheitsgrad der nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung gezielt genutzt werden kann. Unterschiedliche geblazte Phasenprofile Ψ(x,y) können aus ein und derselben Phasenfunktion φ(x,y) erzeugt werden, indem höhere anstatt der ansonsten üblichen ersten Blaze-Ordnung gewählt werden. Wird ein Blazing in eine höhere Ordnung durchgeführt, lassen sich mehrere diskrete Wellenlängen finden, für die das DOE die gleiche gewünschte Wellenfront mit gleich hoher Beugungseffizienz realisiert. Dies ist gegeben, wenn die Bedingung mλ0 = qλbιaze erfüllt wird, wobei m die Blaze- Ordnung für die Designwellenlänge λ0 ist und q die Blaze-Ordnung für eine andere, sogenannte Blaze-gematchte Wellenlänge λbiaze ist. Um geeignete Ordnungen für m und q bei gegebenen diskreten Wellenlängen zu finden, bestimmt man das kleinste gemeinsame Vielfache dieser Wellenlängen. Diese Wellenlänge stellt dann die synthetische Designwellenlänge des diffraktiven optischen Elementes dar. In einem letzten Schritt der Designprozedur wird das geblazte Phasenprofil in ein Oberflächenreliefprofil überführt. Für die Tiefe der Mikrostrukturen sind sowohl die Blaze-Ordnung als auch das Material der Mikrostrukturen zu berücksichtigen. Ein Blazing in eine höhere Ordnung hat außerdem den Vorteil, dass Mikrostrukturen entstehen, die einfacher herzustellen sind.
Da für ein farbiges holographisches Rekonstruktionssystem gemäß vorliegender Erfindung bevorzugt nur drei Lichtwellenlängen benötigt werden, können Beugungsordnungen betragsmäßig relativ geringer Blaze-Ordnung ausgewählt werden, beispielsweise die fünfte, sechste und siebente Beugungsordnung. Dadurch wir eine Herstellung des Fokussiermittelfeldes vereinfacht.
Da sich bekanntlich mit diffraktiven optischen Elementen sowohl konventionelle optische Funktionalitäten (z.B. Linsen, Prismen) sowie Freiform-Phasenfunktionen
(z.B. Aspären) als auch neuartige Strahlformungseigenschaften realisieren lassen, können mit den Elementen besser gleichzeitig mehrere optische Parameter korrigiert werden. Dadurch werden Fokussiereigenschaften erreicht, die mit refraktiven Mitteln nicht erreicht werden können. Die Phasenmodulation der am DOE gebeugten Welle erfolgt vorteilhaft durch eine Oberflächenmikrostruktur auf dem DOE-Substrat.
Alternativ kann eine Phasenmodulation durch Brechzahlmodulation im Substrat oder einer dünnen Schicht auf dem Substrat realisiert werden. Die beschriebenen diffraktiven optischen Elemente erreichen dabei Beugungswirkungsgrade im Bereich von 95-99% für die gewählten diskreten Wellenlängen. Die erreichbare Beugungseffizienz wird dabei maßgeblich von den Toleranzen des Herstellungsverfahrens für die diffraktiv wirkenden Strukturen bestimmt.
Die Erfindung ermöglicht es, vorteilhaft eine Beleuchtungseinheit für ein holographisches Rekonstruktionssystem herzustellen, welches eine sehr geringe Bautiefe des gesamten Systems gestattet. Die axiale Tiefe der Beleuchtungseinheit kann drastisch reduziert werden, da die realisierbare Bautiefe nur durch einen sinnvollen Kompromiss zwischen der Anzahl der Lichtelemente im Lichtquellenfeld und Größe eines einzelnen diffraktiven optischen Elementes bestimmt wird.
Ein zum Rekonstruieren farbiger dreidimensionaler Szenen wichtiges Erfordernis ist, dass die Lichtelemente in den Beleuchtungsvorrichtungen in der Form von Punktoder Linienlichtquellen ausgeführt werden, welche gleichzeitig oder sequentiell die für eine farbige Rekonstruktion erforderlichen drei Grundfarben in einem Ursprungspunkt emittieren. Derartige farbige Punktlichtquellen können beispielsweise als Enden von Faserbündeln oder Wellenleitern realisiert werden.
Die Lichtelemente können die Fokussierelemente direkt oder durch Umlenkmittel wie Lichtwellenleiter beleuchten.
Um definierte Mikrostrukturen auf Oberflächen mit Höhen im Bereich weniger Mikrometer und lateralen Ausdehnungen im Bereich von einigen Mikrometern bis einigen hundert Mikrometern herzustellen sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, wie beispielsweise photolithographischen Methoden oder Laser-, Elektronen-, lonenstrahl-Verfahren oder Einkorn-Diamant-Drehen. Außerdem können Mikrostrukturen mit Hilfe eines Masters hergestellt werden, der danach in einem Massen-Replikationsprozess kostengünstig abgeformt wird, oder die direkte photolithographische Fertigung ohne Master.
Die Erfindung soll an Hand einer Anwendung in einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Dazu zeigen: Figur 1 zeigt den Prinzipaufbau eines holographischen Rekonstruktionssystems in dem die Beleuchtungseinheit gemäß der Erfindung benutzt wird. Die wesentliche Funktion des Rekonstruktionssystems hat der Anmelder bereits in der internationalen Patentanmeldung WO 2006/119920 mit dem Titel .Device for Holographie Reconstruction of Three-Dimensional Scenes' offenbart. Die Beleuchtungseinheit gemäß der Erfindung zeigt in der Zeichnung des beispielhaft nur drei Lichtelemente LE1 ... LE3 eines in der Praxis zweidimensional ausgeführten Lichtquellenfeldes, welches matrixförmig angeordnete Lichtelemente LE1 ... LEn trägt. Jedem Lichtelement LE m ist ein diffraktives optisches Element DOE als Fokussierelement DOE1 ... DOE3 in einem Fokussiermittelfeld 2 zugeordnet. Die Fokussierelemente DOE1 ... DOE3 bilden die Lichtelemente LE1 ... LE3 durch die nichtdargestellten Modulatorzellen eines räumlichen Lichtmodulators SLM auf einen gemeinsamen Fokuspunkt 4 ab oder realisieren die erste Stufe einer mehrstufigen Abbildung indem sie beispielsweise in Unendliche abbilden und die Abbildung auf einen gemeinsamen Fokuspunkt durch ein weiteres Fokussiermittel erfolgt (nicht dargestellt). Der Fokuspunkt 4 stellt gleichzeitig eine Augenposition des Auges eines Betrachters dar. Beim Abbilden beleuchten die interferenzfähigen Wellen Teilbereiche des Lichtmodulators SLM, der mit den in Figur 2 beispielhaft gezeigten Teilhologrammen H1 ... H3 von Objektlichtpunkten P1 ... P3 einer zu rekonstruierenden Szene kodiert ist. In Folge der Fourier-Transformation der Teilhologramme H1 ... H3, welche die Fokussierelemente DOE1 ... DOE3, gegebenenfalls durch Kombination mit einem weiteren Fokussiermittel, von den, durch die Teillichtwellen W1 ... W3 durchleuchteten und kodierten Lichtmodulatorbereiche realisieren, entsteht ein Sichtbarkeitsbereich 5 am Fokuspunkt 4. Die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs 5 ist durch die Ausdehnung der Teilhologramme H1 ... H3 definiert.
Das angefügte Diagramm (Figur 3) zeigt ein Design eines einzelnen diffraktiven optischen Elementes für Licht mit den Wellenlängen λBlau = 450 nm, λGrün = 525 nm und λRot = 630 nm. Das Diagramm zeigt, dass eine einheitliche synthetische Entwurfswellenlänge für die Mikrostruktur von λSyn = 3150 nm für Rot in der fünften Beugungsordnung, für Grün in der sechsten und für Blau in der siebten Beugungsordnung gewählt werden kann. Für den Fachmann ist einleuchtend, dass ebenso eine andere synthetische Entwurfswellenlänge gewählt werden kann. Dies kann vorteilhaft sein, wenn Lichtquellen anderer Wellenlänge überhaupt oder kostengünstiger verfügbar sind, mehr als drei verschiedene Wellenlängen verwendet werden sollen oder ein größerer Farbraum realisiert werden soll.
Das in Figur 4 dargestellte Diagramm zeigt die Beugungseffizienz eines Ausführungsbeispiels eines gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten diffraktiven optischen Elements mit Blaze-Ordnungen größer als Eins über der Wellenlänge. Es verdeutlicht, dass theoretisch eine skalare Beugungseffizienz von 100% für die drei diskreten Wellenlängen (Grundfarben: Blau = 450 nm, Grün = 525 nm und Rot = 630 nm) bei den jeweiligen Blaze-Ordnungen q erreicht werden kann und dass für andere Wellenlängen, die nicht den diskret gewählten Farben entsprechen, die Beugungseffizienz drastisch verringert ist. Die gestrichelte Linie zeigt zum Vergleich das Verhalten eines gewöhnlichen in der ersten Blaze- Ordnung verwendeten diffraktiven optischen Elementes mit deutlich verringerter Wellenlängensensitivität bezüglich der Beleuchtungswellenlänge. Das Diagramm veranschaulicht weiterhin, dass die Beugungseffizienz umso stärker von geringen Wellenlängenschwankungen abhängig ist, je höher die gewählte Blaze-Ordnung ist. Das heißt, für die drei beispielhaft gewählten Wellenlängen verhält sich das diffraktive optische Element am sensitivsten gegenüber Wellenlängenschwankungen im blauen Spektralbereich, da für Blau die 9. Blaze-Ordnung gewählt wurde. Im roten Spektralbereich wirken sich geringfügige Änderungen nicht so stark auf eine verringerte Beugungseffizienz aus. Es ist daher vorteilhaft, möglichst geringe Blaze- Ordnungen zu benutzen, um diesen Effekt gering zu halten.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungseinheit für räumliche Lichtmodulationsmittel eines holographischen Rekonstruktionssystems zum dreidimensionalen Rekonstruieren von Objektlichtpunkten einer Szene, bei dem die räumlichen Lichtmodulationsmittel interferenzfähige Lichtwellen von Lichtmitteln mit wenigstens einem Videohologramm modulieren, welche ein Fokussiermittelfeld enthält, die matrixförmig angeordnete Fokussierelemente aufweist und die modulierten Lichtwellen mit den rekonstruierten Objektlichtpunkten für mindestens eine Augenposition von Betrachteraugen fokussieren, sowie außerdem ein Lichtquellenfeld enthält, welches matrixförmig angeordnete Lichtelemente trägt, die interferenzfähiges Licht emittieren, wobei die Fokussierelemente im Fokussiermittelfeld so angeordnet sind, dass jedem Fokussierelement mindestens ein Lichtelement aus dem Lichtquellenfeld zugeordnet ist, gekennzeichnet durch ein Fokussiermittelfeld, welches eine matrixförmige Anordnung von diffraktiven optischen Elementen (DOE) auf einem transmissiven oder reflektiven Substrat ist und jedes diffraktive Element jeweils einem Lichtelement aus dem Lichtquellenfeld zugeordnet ist, um das kohärente Licht des zugeordneten Lichtelementes jeweils zu einer interferenzfähigen Teillichtwelle, die zu einer Augenposition propagiert, zu formen, wobei die diffraktiven optischen Elemente (DOE) ihre zugeordnete Teillichtwellen fokussieren oder zu einer Beleuchtungswelle vorgebbarer Form zusammensetzen und das räumliche Lichtmodulationsmittel beleuchten und gegebenenfalls in Kombination weiteren Fokussiermitteln alle Teillichtwellen so ausrichten, dass diese nach dem Beleuchten von Teilbereichen der Oberfläche der Modulationsmittel an der Augenposition im Wesentlichen in einem gemeinsamen Fokuspunkt koinzidieren.
2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , bei der die diffraktiven optischen Elemente in einer Ebene angeordnet sind und die optische Funktion eines gewölbten Linsenarrays realisieren.
3. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , bei der die diffraktiven optischen Elemente in einer Ebene angeordnet sind und die optische Funktion eines ebenen Linsenarrays realisieren und alle Teillichtwellen mittels mindestens eines weiteren im optischen Weg hintereinander angeordneten Fokussierelementes so ausrichten, dass diese nach dem Beleuchten von Teilbereichen der Oberfläche der Modulationsmittel an der Augenposition im Wesentlichen in einem gemeinsamen Fokuspunkt koinzidieren.
4. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , für ein farbiges holographisches Rekonstruieren mit Videohologrammen, die mit kohärentem Licht beleuchtet werden, welches verschiedene diskrete Spektralwellenlängen enthält, bei dem die diffraktiven optischen Elementen (DOE) für eine multispektrale Lichtbeugung ausgelegt sind und für die Ausbreitung der Wellen für jede Spektralwellenlänge in eine separate Beugungsordnung nutzen.
5. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 4, welche das wellenlängenabhängige optische Verhalten der diffraktiven optischen Elemente so nutzt, dass beim Formen der Lichtwellen der Lichtkomponenten für jede Lichtwellenlänge eine solche separate Beugungsordnung ausgewählt wird, bei der Mikrostrukturen der diffraktiven optischen Elemente (DOE) das Licht jeder Lichtkomponentenwellen in eine im Wesentlichen gleiche vorgebbare Richtung oder als Fokuspunkt im Raum zu einem gemeinsamen Fokuspunkt führen.
6. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 4, welche Prismenelemente in der periodischen Mikrostruktur nutzt, die so angeordnet sind, das Licht von Beugungsordnungen, die die Wellen nicht zur Augenposition leiten, unterdrückt werden.
7. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , welche in einem holographischen Rekonstruktionssystem eingesetzt ist, das eine Systemsteuerung mit Positionserfassungsmitteln und eine Wellennachführung aufweist für ein Nachführen des Fokuspunktes und der modulierten Lichtwellen entsprechend einer aktuellen Augenposition.
8. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7, welche ein Fokussiermittelfeld mit diffraktiven optischen Elementen (DOE) mit periodischen Mikrostrukturen aufweist, bei dem die diffraktiven Eigenschaften der periodischen Mikrostrukturen diskret einstellbare Mikrozellen enthalten, um die Fokuswerte abhängig von der Augenposition zu ändern.
9. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7, bei dem die einstellbaren Mikrozellen Prismenfunktionen für ein steuerbares optisches Gitter realisieren, um die modulierten, fokussierten und auf eine achsennahe Basisposition gerichtete Lichtwellen vor dem Rekonstruieren der Szene lateral auf die aktuelle Augenposition auszurichten.
10. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , bei dem die einstellbaren Mikrozellen Elektro-Benetzungszellen sind mit Querschnitten vom Mehrfachen der Lichtwellenlänge, so dass durch Phasenänderungen die Ausbreitungsparameter der Lichtwellen zum Beleuchten der Lichtmodulationsmittel verändert werden können.
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