Holographisches Rekonstruktionssystem mit vergrößertem Sichtbarkeitsbereich

Die Erfindung betrifft ein holographisches Rekonstruktionssystem zum Rekonstruieren von Szenen mit vergrößertem Sichtbarkeitsberetch, welches zweidimensional kodierte Lichtmodulatorzellen von räumlichen Lichtmodulationsmitteln mit kohärentem Licht beleuchtet.

Die Erfindung ist anwendbar in einem holographischen Rekonstruktionssystem, beispielsweise vom Typ eines holographischen Projektionsgerätes, wie es der Anmelder in der internationalen Publikation WO 2006/119760 mit dem Titel PROJEKTIONSVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HOLOGRAPHISCHEN REKONSTRUKTION VON SZENEN offenbart hat.

Die Projektionsvorrichtung weist vorteilhaft neben einem Lichtmodulator mit einer Modulatorfläche aus einer Zellenmatrix Lichtmodulatorzellen und einer Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von kohärentem Licht ein Abbildungssystem mit einem ersten und einem zweiten Abbildungsmitte! auf. Das erste Abbildungsmittel bildet den Lichtmodulator vergrößert auf das zweite Abbildungsmittel ab. Das zweite Abbildungsmittel bildet das Raumfrequenzspektrum, das so genannte Fourier- Spektrum des Lichtmodulators, in einen Sichtbarkeitsbereich ab. Der Sichtbarkeitsbereich ist somit die Abbildung der verwendeten Beugungsordnung in der Fourier-Ebene des Videohologramms. Damit das erste Abbildungsmittel den gesamten Lichtmodulator auf das zweite Abbildungsmittel abbilden kann, müssen alle Beiträge einer gewünschten Beugungsordnung durch das erste Abbildungsmittel erfasst werden. Dies erfolgt durch Fokussierung des modulierten Lichts auf das erste Abbildungsmitte!, in der das Raumfrequenzspektrum erzeugt wird. Dazu wird der Lichtmodulator mit einer Welle, die in Lichtrichtung konvergiert, beleuchtet. Das erste Abbildungsmittel liegt demzufolge im Raumfrequenzspektrum des Videohologramms. Das zweite Abbildungsmittei definiert zusammen mit dem Betrachterfenster ein Rekonstruktionsraum. In diesem wird eine Szene rekonstruiert. Der Rekonstruktionsraum setzt sich rückwärtig über das zweite Abbildungsmittel hinaus beliebig weit fort. Durch das Betrachterfenster kann der Betrachter somit die rekonstruierte Szene im Rekonstruktionsraum sehen. Zum Wiedergeben von Videohologrammen beleuchtet gewöhnlich interferenzfähiges

Licht zweidimensionale räumliche Lichtmodulationsmittel.

Ein Verfahren zur holographischen Rekonstruktion mit einem vergrößerten Sichtbarkeitsbereich beschreibt die Druckschrift Mishina T., Okui M., Okano F.: "Viewing-zone enlargement method for sampled hologram that uses high-order diffraction", Applied Optics, Vol.4, No.8, p.1489-1499. Eine Lichtquelle beleuchtet einen Lichtmodulator mit einem darin kodierten Hologramm. Eine Linse erzeugt eine Fourier-Ebene des Hologramms und ein Raumfrequenzfilter in Form einer Lochmaske filtert Beugungsordnungen aus der Fourier-Ebene. Die Lochmaske weist ein zeitlich und räumlich steuerbares Lochmuster auf, durch das alternativ verschiedene Beugungsordnungen der Fourier-Transformierten des Hologramms sequentiell hindurchgelassen und aneinandergereiht werden, so dass vom Betrachter innerhalb eines vergrößerten Sichtbarkeitsbereiches das reproduzierte Bild - das rekonstruierte 3D-0bjekt - beobachtet werden kann.

Ein Problem besteht darin, dass zur Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereiches verschiedene Beugungsordnungen mit unterschiedlicher Intensität sequentiell herausgefiltert und aneinandergefügt werden, Dafür benötigt das Filter in der Fourier- Ebene des Hologramms steuerbare öffnungen. Da im Sichtbarkeitsbereich die Intensität der Beugungsordnungen verschieden ist, muss zusätzlich die Intensität der Beleuchtung zeitabhängig gesteuert werden. Weiter sind auch umfangreiche programmtechnische Mittel unter anderem zur Schaltung und Steuerung der öffnungen erforderlich. Die zeitsequentielle Darstellung des Hologramms und die Filterung müssen auch genügend schnell erfolgen, damit ein Flackern des rekonstruierten Bildes vermieden wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt ein holographisches Rekonstruktionssystem zum Rekonstruieren von Szenen zu Grunde, bei dem optische Fokussiermittel eine von einem Videohologramm modulierte Lichtwellenfront zu wenigstens einer Augenposition eines Betrachterauges in einem Sichtbarkeitsbereich führen. Eine interferenzfähige Beleuchtung beleuchtet eine zweidimensional kodierte Modulatorzellenmatrix von räumlichen Lichtmodulatormitteln und moduliert damit die Lichtwellenfront. Die Modulatorzellen der Modulatorzellenmatrix sind in Modulatorzellenzeilen und in

Modulatorzellenspalten angeordnet. Da es für die Funktion der Erfindung unerheblich ist, ob Kodiermittel die Modulatorzellenmatrix in der Struktur von

Modulatorzellenzeilen oder Modulatorzellenspalten kodieren wird für die Ordnung der kodierten Zellenstruktur nachfolgend der Begriff Zellenreihen verwendet.

Beim Ausbreiten der modulierten Weilenfront zur Augenposition führen die optischen

Fokussiermittel in ihrer Fokusebene eine optische Fourier-Transformation der modulierten Wellenfront durch, so dass in einer Fourier-Ebene eine Fourier-

Transformierte der modulierten Lichtwellenfront entsteht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, technische Mittel aufzuzeigen, die kostengünstig den Sichtbarkeitsbereich optisch vergrößern. Insbesondere soll beim Modulieren der

Lichtwellenfront, welche eine dreidimensionale Szene rekonstruiert, die in einer

Dimension wirksame Zellenzahl gegenüber der entsprechenden Zellenzahl in dieser

Dimension der Modulatormatrix vervielfacht werden.

Im holographischen Rekonstruktionssystem gemäß der Erfindung erfolgt dieses durch eine besondere Methode des Kodierens der räumlichen Lichtmodulationsmittel zum

Modulieren der interferenzfähigen Lichtfront in Verbindung mit einem räumlichen

Aufteilen der Lichtwellenfront, Umlenken und räumlichen Filtern der aufgeteilten

Lichtwellenfront.

Gemäß der Erfindung weisen dafür Hologrammkalkuliermittel die Information der zur holographischen Rekonstruktion benötigten Gesamtlichtwellenfront mehreren

Wellenfrontstreifen zu und kalkulieren für jedes Videohofogramm der Videofofge

Streifenhologramme, welche jeweils mehrere Hologrammsegmente enthalten.

Die Hologrammkalkuliermittel sind mit Kodiermitteln verbunden, welche die räumlichen Lichtmodulatormittel in einer Kombination von Zeitmultiplex-Modus und

Raummultiplex-Modus kodieren. Dabei kodieren die Kodiermittel die räumlichen

Lichtmodulationsmittel jeweils mit dem Inhalt eines Streifenhologramms im

Zeitmultiplex-Modus und mit dessen Hologrammsegmente im Raummultiplex-Modus.

Alle Hologrammsegmente jedes Streifenhologramms weisen gemeinsam eine solche

Anzahl an Hologrammpixein auf, dass die Streifenhologramme auf der Modulator- zeüenmatrix als Raummultiplex-Struktur der entsprechenden Hologrammsegmente in

Zellenreihen nebeneinander liegen.

Auf Grund der Beleuchtung der Moduiatorzellenmatrix mit einer interferenzfähigen

Lichtwellenfront moduliert die Modulatorzellenmatrix parallel liegende Teillichtwellen, welche jeweils die Information eines Hologrammsegmentes tragen und zu einem Streifenhologramm gehören.

Zum Lösen der Aufgabe der Erfindung liegen neben der Modulatorzellenmatrix und den Fokussiermitteln im Lichtweg der Lichtwellenfront:

- erste optische Umlenkmittel, welche die parallel liegenden Teillichtwellen der modulierten Lichtwellenfront so in verschiedene Richtungen umlenken, dass ihre Fourier-Transformierten in der Fokusebene stufenförmig erscheinen

- ein Raumfrequenzfilter, das in einer Fokusebene der Fokussiermittel liegt und jeweils die gleiche Beugungsordnung aller modulierten Teillichtwellen durchlässt.

- zweite optische Umienkmittel, welche die durchgelassenen Beugungsordnungen der Teillichtwellen jeweils zu einem Wetlenfrontstreifen aneinanderreihen

- eine Zeitmuitiplexsteuerung, welche synchron zum Zeitmultiplexmodus der Hologrammkalkuliermittel arbeitet und einstellbare dritte optische Umlenkmittel diskret so einstellt, dass diese Umlenkmittel die Wellenfrontstreifen neben aneinander positioniert, so dass die modulierte Wellenfront erscheint und alle Wellenfrontstreifen, die gewünschte Szene im Zeitmultipiexmodus holographisch rekonstruieren.

Anders ausgedrückt, alle Hologrammsegmente die während eines Signalframe des Videosignals kodiert werden, gehören zu einem einzigen Streifenhologramm und modulieren mit den Hologrammsegmente parallel liegenden Teillichtwellen eines Wellenfrontstreifens. Die Modutatorzellenmatrix moduliert die übrigen Streifenhologramme im Zeitmultiplex, so dass die Streifenhologramme die Szene im Zeitmultiplex holographisch rekonstruieren.

Von Nachteil ist, dass bekanntlich die Zellenstruktur der Modulatorzellenmatrix neben einer gewünschten Beugungsordnung auch parasitäre Beugungsordnungen moduliert, für welche die optischen Fokussiermittel eine optische Fourier-Transformation vornehmen. Die Fourier-Transformation bewirkt, dass in der Fokusebene der Fokussiermittel für jede Teillichtwelle ein Raumfrequenzspektrum entsteht.

Um den Sichtbarkeitsbereich gemäß der Aufgabe der Erfindung optisch zu vergrößern, lenken erste optische Umlenkmittel die Teilltchtwellen eines Streifenhologramms lateral so in einer Dimension um, dass die Teillichtwellen in der Fokusebene der optischen Fokussiermittel stufenförmig versetzt erscheinen. Diese Umlenkmittel weisen statische Winkeleinstellungen auf. Das hat den Vorteil, dass ein einfaches Raumfrequenzfilter mit einer stufenförmigen Struktur von festen Blendenöffnungen genutzt werden kann, um mit hoher Effektivität jeweils die zum Rekonstruieren gewünschte, gleiche Beugungsordnung aller modulierter Teillichtwelten von den störenden parasitären Beugungsordnungen zu trennen. Zweite optische Umlenkmittel reihen die durchgelassenen Beugungsordnungen aller modulierten Teillichtwellen so aneinander, dass ein aus den Teiilichtwellen aufgereihter modulierter Lichtwelienstreifen entsteht. Die zweiten optischen Umlenkmittel kompensieren damit die optische Umlenkung der im Raummultiplex organisierten Teillichtwellen zum Aufheben des Raummultipiexes. Dieser modulierte Lichtwelienstreifen weist in Foige des lateralen Umlenkens in einer Dimension eine Hologrammpixelauflösung auf, welches ein Vielfaches der Anzahl der Hologrammsegmente beträgt. Damit entsteht in einer Dimension der Modulatorzellenmatrix eine Vervielfachung des Beugungswinkels der Modulatorzellenmatrix, welches ein Vergrößern des Sichtbarkeitsbereiches gemäß der Aufgabe der Erfindung entspricht.

Die ersten optischen Umlenkmittel können eine Prismenanordnung sein, welche im Lichtweg der Wellenfront liegt und die modulierten Teillichtwellen, in einer Dimension, d.h., horizontal oder vertikal gegeneinander verschiebt, so dass die modulierten Teillichtwellen in der Fokusebene der Fokussiermittel stufenförmig, um eine Beugungsordnung versetzt, nebeneinander liegen.

Die Kodiermittel weisen vorteilhaft jedem Hologrammsegment auf der Zellenstruktur der Modulatorzellenmatrix mehrere benachbarte horizontale Modulatorzellenreihen zu, so dass auf der Modulatorzeilenmatrix nur wenige, beispielsweise drei Hologrammsegmente liegen.

Entsprechend der Anzahl der Hologrammsegmente enthalten die ersten optischen Umlenkmittel mehrere, beispielsweise drei Prismen, die sich in einer Dimension über die gesamte Ausdehnung der Moduiatorzeilenmatrix erstrecken. Die Prismen liegen

mit ihren Längsseiten aneinander und weisen verschiedene Steigungen auf. Die Steigungen sind derart bemessen, dass gleiche Beugungsordnungen von benachbarten Teil lichtwellen nach dem Umlenken in der Fokusebene einander anschließen, so dass ein lückenloses Anbinden der stufenförmig versetzten, gleichen Beugungsordnungen erreicht wird. Das wird erreicht, wenn der maximale Beugungswinkel der Lichtmodulatormittel in der Umlenkrichtung die Steigungen der Prismen definiert.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die ersten optischen Umlenkmittel ein Prismenfeld mit Mikroprismen sein, wobei jedem Matrixabschnitt eine Vielzahl von Mikroprismen zugeordnet ist, welche die Teillichtwellen entsprechend der Struktur des Raumfrequenzfilters stufenförmig ausrichten. Dieses ermöglicht eine leichtere Konstruktion des Projektionssystems und reduziert das Volumen des Hologrammprojektors.

Das Raumfrequenzfilter kann vorteilhaft eine Lochblendenmaske mit Blendenöffnungen sein, welche jeweils eine einzige Beugungsordnung der modulierten Teillichtwelle passieren lassen. Anstelle einer Lochblendenmaske kann jedoch auch eine andere Maske mit transparenten und lichtundurchJässigen Flächen, beispielsweise eine Fotofilmkopie oder ähnliches verwendet werden. Diese enthält dann stufenförmig versetzte, transparente Flächen, welche der Form und Lage der gleichen Beugungsordnungen in der Ebene, wo das Raumfrequenzfilter liegt, entsprechen.

Die zweiten optischen Umlenkmittel sind ebenfalls ein Prismenfeld. Die Prismen Hegen im Lichtweg, um die modulierten, gefilterten und stufenförmig versetzten Teillichtwellen in einer Dimension zu einem Lichtwellenstreifen aneinanderzureihen. Vorteilhaft sind die zweiten optischen Umlenkmittel ebenfalls Mikroprismen, von denen jedem Matrixabschnitt eine Vielzahl zugeordnet ist. Diese Mikroprismen können auch in ihrem Winkelbereich einstellbar und mit einer Positionssteuerung verbunden sein, welche ein Augenfinder so einstellt, dass die Lichtwellen streifen mit ihren Teillichtwellen entsprechend einer Augenposition ausrichten. Auf diese Weise ist bei einer Vergrößerung der einstellbaren optische Umlenkmitte! wenigstens in einer Dimension ein Nachführen der modulierten Teillichtwellen entsprechend den änderungen von Augenpositionen möglich.

Um im Design des Gerätes Platz zu sparen, können die zweiten optischen Umlenkmittel direkt auf dem Raumfrequenzfiiter angebracht sein. Die diskret einstellbaren dritten optischen Umlenkmittel sind hinreichend aus Strahlprojektions-Anzeigeetnrichtungen bekannt. Diese weisen Schwenkspiegel oder rotierende Polygonspiegel zum Aufbauen eines Bildes auf eine Wiedergabefläche auf und lenken das Licht beispielsweise zeilenweise um. Als Beispiel sei die internationale Veröffentlichung WO2006053793 mit dem Titel: "BEAM-PROJECTϊON DISPLAY DEVICE AND METHOD FOR OPERATING A BEAM-PROJECTION DISPLAY DEVICE" genannt. Die dritten optischen Umlenkmittel können auch steuerbare Mikroprismen sein.

Für den Fachmann wird es verständlich sein, dass es für die praktische Ausführung der Erfindung unerheblich ist, ob die Modulatorzellen jeder Zellenreihen horizontal oder vertikal aneinander liegen.

Unter diesem Aspekt kann beispielsweise der Sichtbarkeitsbereich durch horizontales Aneinanderreihen von mehreren Hologrammsegmenten, also Erhöhen der horizontalen Auflösung, im Raummultiplex-Modus verbreitert werden. Im Verbund damit können die Hoiogrammkaikuliermittel eine größere Anzahl von Streifenhologrammen für jedes Videohologramm kalkulieren, um damit über die Kodiermittel die vertikale Auflösung im Zeitmultiplex-Modus zu erhöhen. Bei einer derartigen Struktur des holographischen Rekonstruktionssystems, können Mikroprismen in den zweiten Umlenkmitteln, welche in ihrem Winkelbereich einstellbar sind und mit einer Positionssteuerung verbunden sind, die erzeugten modulierten Lichtwellenstreifen entsprechend von horizontalen änderungen der Augenposition ausrichten.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Fokussiermittel horizontal und vertikal verschiedene Brennebenen auf, so dass in ein und derselben Ebene eine Fourier-Ebene und eine Abbildungsebene entstehen können. Dabei liegt eine Brennebene möglichst nahe am Raumfrequenzfilter, so dass in der Umlenkrichtung der ersten Umlenkmittel am Raumfrequenzfilter eine Fourier- Transformierte der Teillichtwellen erscheint. Die zweite Brennebene liegt so, dass die Fokussiermittel die beleuchtete Modulatorzellenmatrix vertikal auf die zweiten Umlenkmitteln abbilden.

Im vorliegenden Fall realisieren die Fokussiermittel in der Nähe des Raumfrequenzfilters horizontal eine Fourier-Transformation der modulierten Wellenfront und vertikal nahe der zweiten Umlenkmittel eine Abbildung der Lichtmodulatormittel. In einer konkreten Ausführung weisen die Fokussiermittel in einer Richtung eine Brennweite f _x auf und sind im Abstand f _x nach den Lichtmodulatormitteln angeordnet, so dass am Raumfrequenzfilter im Abstand f _x hinter den Fokussiermitteln die Fourier- Transformierte der Teillichtweilen entsteht, so dass die Beugungsordnungen der modulierten Teilwellen, welche die Lichtmodulatormittel mit verschiedenen Winkeln verlassen, räumlich getrennt am Raumfrequenzfilter erscheinen. Die Fokussiermittel haben beispielsweise vertikal die Brennweite f _y , wobei f _y = f _x /2 ist, und jeweils ein Abstand von 2f _y zwischen den Lichtmoduiatormittelπ und den Fokussiermitteln und zwischen den Fokussiermitteln und der Raumfrequenzfilterebene. Dann entsteht in der Raumfrequenzfilterebene vertikal eine Abbildung der Hologrammsegmente auf der Modulatorzellenmatrix.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soli anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und Zeichnungen näher erläutert werden Es zeigen im Einzelnen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung aus einem Teil des holographischen

Rekonstruktionssystems gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Modulatorzellen matrix von räumlichen

Lichtmodulatormitteln, Fig. 3 ein Beispiel für ein Umlenkmittel in Form einer Prismenanordnung in einem

Projektionssystem gemäß der Erfindung, Fig. 4 ein Beispiel für ein stufenförmiges Verschieben von modulierten

Teillichtwellen mit Hilfe der Prismenanordnung nach Fig. 3, Fig. 5 eine schematische Darstellung der Funktion der Fokussiermittel, wobei Fig. 5a eine Draufsicht auf die modulierte und Fourier-Transformierte Wellenfront und

Fig. 5b eine Seitenansicht der Wellenfront, welche das Videohologramm in einer Ebene vertikal abbildet,

Fig. 6 die Struktur des Raumfrequenzfiiters,

Fig. 7 eine schematische Darstellung des Strahlengangs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht, Fig. 8 eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem eindimensional wirkenden Diffusor, Fig. 9 eine Seitenansicht von einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Vorrichtung nach Fig. 7 mit einem einstellbaren dritten optischen

Umlenkmittel in Form eines Drehspiegels mit einer Drehachse, Fig. 10 den Verlauf der gewünschten Beugungsordnungen für die modulierten

Teülichtwellen, Fig. 11 ein durch Drehen des Drehspiegeis erzeugtes Umlenkmuster mit einer zeilenförmigen Aneinanderreihung der in vertikalen Stufen umgelenkten modulierten Teillichtwellen.

Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 zeigt einen Auszug aus einem holographischen Rekonstruktionssystem 1 zum holographischen Rekonstruieren von Szenen mit einem Lichtmodulator 2 auf dem eine Foige von Videohologrammen kodiert ist. Eine nichtgezeigte interferenzfähige Beleuchtung beleuchtet die Modulatorzellenmatrix 4 eines räumlichen Lichtmodulators 2 mit m Modulatorzellereihen, zu je n Modulatorzellen, Fokussiermittel, hier in Form einer Linse 7 und ein Raumfrequenzfiiter 8. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen dem Lichtmodulator 2 und der Linse 7 ein erstes optisches Umlenkmittel, hier in Form eine Prismenanordnung 11. Hologrammkalkuliermittel 3 kalkulieren zu jedem Videohologramm Streifenhologramme S1 ... S3 mit Hologrammsegmenten H11 ... H33. Eine nichtgezeigte Kodiervorrichtung kodiert Modulatorzellenmatrix 4 nacheinander mit Hologrammsegmenten der Streifenhologramme S1 ... S3. Fig. 1 zeigt deshalb verschiedene, nacheinander kodierte Modulatorzellenmatrizen 4, 4' und 4" in zugewiesenen Zellenbereichen 12, 13, 14 mit den Hologrammsegmenten H11 ... H33, die horizontal umlenkende statische Prismenanordnung11 , Fokussiermittel in Form einer Linse 7 und ein Raumfrequenzfilter, in Form einer Lochblendenmaske 8 mit aufgesetzten zweiten optischen Umlenkmitteln, den vertikal umlenkenden Prismen 51 , 52 und 53.

Die Prismenanordnung 11 realisiert eine horizontale, stufenförmige Versetzung 9 der Teillichtwellen, welche die Zellenbereiche 12, 13, 14 modulieren. Die Lochblendenmaske 8 weist unter den Prismen 51 , 52 und 53 stufenförmig versetzte öffnungen 15, 16, 17 auf, welche jeweils nur eine ausgewählte Beugungsordnung aus der Fourier- Transformierten der Teiliichtwellen der Hologrammsegmente ausfiltern. Die Prismen 51 , 52 und 53 lenken die gefilterten Teillichtwellen vertikal um, so dass die Teiilichtwellen auf eine dritte, um eine horizontale Achse schwenkbare, Umlenkvorrichtung 54 treffen, so dass die Hologrammsegmente eines jeden Streifenhologramme S1 , S2 oder S3 nacheinander als Lichtwellenstreifen erscheinen. Die Umlenkvorrichtung 54 ist über eine Zeitmultiplexsteuerung 55 mit dem Zeitmultiplexmodus der Hologrammkalkuliermittel synchronisiert, so dass über eine Austrittspupille 56, eine vollständig modulierte Lichtwellenfront mit der Struktur und Modulation von allen Streifenhologrammen S1 ... S3 für eine holographische Rekonstruktion verfügbar ist.

Fig. 2 zeigt die Modulatorzellenmatrix 4 des Lichtmodulators 2, welche in einer Zelienzeile n Moduiatorzellen 6 und m Zellenspalten 5 aufweist, wobei im vorliegenden Fall je drei Zellenspalten 5 jeweils eine Zellenzeile 12, 13, 14 bilden. Wie in Fig. 3 zeigt, enthält die Prismenanordnung 11 drei Prismen 21 , 22, 23, die vertikal nebeneinander liegen und verschiedene Steigungen 24, 25, 26 mit verschiedenen Steigungswinkeln -α, 0°, +α aufweisen, wobei die Steigungen 24, 25, 26 derart bemessen sind, dass zugehörige Beugungswinkelbereiche θ _x i , θ _X 2, θ _X 3 jeweils benachbarter Prismen 21 , 22, 23 aneinander anschließen, so dass horizontal eine lückenlose Anbindung der stufenförmigen Versetzung 9 der Modulatorzeilen 12, 13, 14, wie in Fig. 4 gezeigt ist, erreichbar ist.

Die maximale Anzahl der aneinandergesetzten Beugungswinkelbereiche entspricht maximal der Anzahl m der Zellenreihen 5 in der der Lichtmodulators 2 beim Kodieren strukturiert ist. Die Prismenanordnung 11 hätte in diesem Fall jedoch sehr viele und sehr schmale Prismen bzw. die nachfolgend angeordneten beweglichen Umlenkmittel müssten sehr fein positionieren. An den schmalen Prismen würden starke Beugungseffekte auftreten. Es ist daher zweckmäßig, nicht die maximale Anzahl von Winkelbereichen, die der Anzahl der m Zellenreihen 5 entspricht, aneinanderzureihen. !n Fig. 1 sind deshalb beispielsweise nur drei Prismen 21 , 22, 23 eingesetzt, d.h.

jedem Prisma 21 , 22 und 23 wird ein Drittel der Zellenreihen 5 zugeordnet, wobei das

Drittel dann eine Modulatorzeile 12 ist oder, wie später erläutert, ein Hologramm beinhalten kann.

Der horizontale maximale Beugungswinkel des Lichtmodulators 2 definiert die

Beugungswinkelbereiche θ _x i, θ _x2 , θ _x3 der Prismen 21 , 22, 23.

Wie Fig. 3 zeigt, weist beispielsweise der Lichtmodulator 2 bei einem Zellenabstand von 10μm und bei einer Wellenlänge λ von 633nm einen maximalen Beugungswinkel

θ _x von 3,6° auf. Der Wert von 3,6° stellt auch den Winkelbereich einer

Beugungsordnung dar. Um auch die entsprechende Beugungsordnung einer benachbarten Teillichtwelle auszuwählen, muss daher das benachbarte Prisma 24 oder 26 das Licht um +3,6° oder -3,6° ablenken.

In Fig. 3 ist das Prisma 21 mit einer einfallenden Teillichtwelle 27 und der abgelenkten modulierten Teilüchtwelle 33 in Richtung des Winkels δ dargestellt. Der Prismenwinkel ist der Winkel α der Steigung 24. Eine senkrecht auf die Unterseite des Prismas 21 treffende Teillichtwelle 27 wird bei Austritt aus der Oberseite um den Winkel δ umgelenkt. Eine Beziehung zwischen α und δ ist mit δ = arcsin(n ^* sipα) - α (!) gegeben, n ist dabei der Brechungsindex des Prismas 21. Für kleine Winkel α kann aus der Gleichung (I) eine lineare Näherung erhalten werden: δ = (n-1 ) ^* α .

Mit n = 1 ,5 wird daher ein Prismenwinkel α von 7,2° benötigt, um einen einfallenden

Teüweile 27 um 3,6° umzulenken. Da in der linearen Näherung der Ablenkwinkel δ nicht vom Auftreffwinkel auf die Unterseite eines Prismas abhängt, wird der

Winkelbereich einer Beugungsordnung um 3,6° abgelenkt. Hat das zentrale Prisma 22 einen Prismenwinkel von 0°, muss in der linearen Näherung das jeweils benachbarte

Prisma 21 bzw. 23 einen Prismenwinkel von +7,2° bzw. -7,2° haben, das übernächste

14,4° bzw. 14,4° usw.

Andererseits ist es auch möglich, dass in Anlehnung an Fig. 1 , in der die

Prismenanordnung 11 nach dem Lichtmodulator 2 angeordnet ist, die

Prismenanordnung 11 auch vor dem Lichtmodulator 2 positioniert sein kann.

Die kombinierte Anordnung aus Lichtmodulator 2 und Prismenanordnung 11 kann andererseits auch wie ein einzeiliger Lichtmodulator mit n*m Zellen betrachtet werden, wobei in einer Zeile n ^* k Zellen angeordnet sind. Dabei dient die Prismenanordnung 11 dem räumlichen Multiplexing, d.h. die zu den aneinandergesetzten Winkelbereichen

θχi, θχ ₂ , θχ ₃ gehörenden Hologrammsegmente H11 , H12, H13 werden zur gleichen Zeit, jedoch räumlich getrennt, auf dem Lichtmodulator 2 kodiert. Der maximale Beugungswinkei θ _x des Lichtmodulators 2 ist λ/p, wobei p der Zellenabstand des Lichtmodulators 2 und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes sind. Der maximale Beugungswinkel θ _x begrenzt auch eine Beugungsordnung. In einer Beugungsordnung kann das Beugungsmuster durch die Kodierung des Lichtmodulators 2 gesteuert werden. Das Beugungsmuster wiederholt sich in höheren Beugungsordnungen. Die höheren Beugungsordnungen schließen sich an den jeweiligen Winkelbereich θ _x der 0. Beugungsordnung zu beiden Seiten an. Das Raumfrequenzfilter gemäß der Erfindung verhindert ein Eindringen von parasitären Beugungsordnungen in die genutzten Beugungsordnungen der Teillichtwellen die Prismen 21 , 22 und 23. Denn eine parasitäre Beugungsordnung ist nur eine periodische Wiederholung der genutzten Beugungsordnung und ein Eindringen von parasitären Beugungsordnungen in den Sichtbarkeitsbereich stört die holographische Rekonstruktion erheblich. Deshalb darf das Raumfrequenzfälter nur die benutzte Beugungsordnung aus der Teillichtweilenfront, die jedes Prisma 21 , 22, 23 separiert, passieren lassen.

Eine Möglichkeit hierzu ist in Fig. 5 mit den Fig. 5a und 5b in Verbindung mit Fig. 6 gezeigt. Die im Lichtweg liegenden Fokussiermittel, hier als Linse 7 gezeigt, weisen vertikal und horizontal verschiedene Brennebenen auf. Damit wird erreicht, dass sowohl eine Fourier-Transformation des Videohologramms und eine Abbildung des Lichtmodulators in derselben Ebene 28 liegt. Das heißt, die Fourier-Ebene ist identisch mit der Abbildungsebene.

Fig. 5a zeigt eine Seitenansicht. Dem beleuchteten Lichtmodulator 2 folgt die Linse 7 (L _x ). Diese hat horizontal die Brennweite f _x und ist im Abstand f _x nach dem Lichtmodulator 2 angeordnet. Hinter der Linse 7 in der Fiiterebene 28 im Abstand f* entsteht horizontal eine Fourier-Transformierte der modulierten Lichtwellenfront. Die Beugungsordnungen, die vom Lichtmodulator 2 ausgehend in verschiedene Winke! laufen, sind in Folge der Fourier-Transformation in der Filterebene 28 räumlich getrennt.

Fig. 5b zeigt eine Seitenansicht. Die Linse 7 hat vertikal die Brennweite f _y , wobei f _y = f _x /2 ist. Je ein Abstand von 2f _y zwischen dem Lichtmodulator 2 und der Linse 7 und

zwischen der Linse 7 und der Filterebene 28 bewirkt vertikal in der Fiiterebene 28 eine Abbildung der Hologrammsegmente auf dem Lichtmodulator.

Da die Filterebene 28 horizontal eine Fourier-Ebene und vertikal eine Abbildungsebene ist, liegt gemäß der Erfindung das Raumfrequenzfiiter 8 in der Filterebene 28. Dieses zeigt Fig. 6. Die im Raumfrequenzfilter 8 eingetragenen Zahlen bezeichnen die Beugungsordnungen der Fourier-Transformierten. In dem mittleren Teilbereich 30 des Raumfrequenzfilters 8 sind die Positionen der -1., 0. und 1. Beugungsordnung aus einem Prisma 22 gezeichnet. In dem darüber liegenden Segment 31 sind die Beugungsordnungen aus dem benachbarten Prisma 21 um eine Beugungsordnung nach links verschoben, da der Winke! des Prismas 21 so gewählt wird, dass sich eine Umlenkung um eine Beugungsordnung ergibt. Entsprechendes gilt für den unteren, dem Prisma 23 zugeordneten Teilbereich 32 mit einem Versatz um eine Beugungsordnung nach rechts. Aufgrund der vertikal und horizontal verschiedenen Brennweiten der Linse 7 liegt in der Filterebene 28 eine Fourier- Transformierte der Lichtwellenfront und die Beugungsordnungen sind räumlich getrennt, während die Linse7 den kodierten Lichtmodulators 2 vertikal abbildet. Das Raumfrequenzfilter 8 weist Durchgänge 15, 16, 17 auf, welche von jedem Hologrammsegment 12, 13, 14 nur die ausgewählte Beugungsordnung durchlässt. Dabei ergibt sich eine Struktur aus stufenförmig versetzten rechteckigen Durchgängen 15, 16, 17 und die ausgewählten Beugungsordnungen der Hologrammsegmente liegen aneinander, während das Raumfrequenzfiiter 8 alle unerwünschten Beugungsordnungen absorbiert. Dieses verhindert ein gegenseitiges Stören von Beugungsordnungen untereinander. Die horizontal aneinandergesetzten ausgewählten Beugungsordnungen vervielfachen den Beugungswinket eines Lichtmodulators 2.

Fig. 6 zeigt ein stufenartiges Versetzen der aneinandergesetzten Winkelbereiche θ _x i , θχ ₂ , θχ ₃ . Ob die Versetzung 9 vertikal kompensiert werden muss und wie das geschieht, hängt von der nachfolgenden optischen Anordnung oder einem nachfolgenden optischen System entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck ab. Das in der Filterebene 28 gefilterte Licht kann in eine danach folgende optische Anordnung geführt werden, wie in den Fig. 7, 8 und 9 gezeigt ist, z.B. für eine holographische Beleuchtungseinrichtung oder für ein holographisches

Projektionssystem.

Fig. 7 stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Aneinanderreihung von Beugungsordnungen aus einem kodierten Lichtmodulator 2 für eine nachfolgende Anordnung 34 in einer Seitenansicht dar. Die Kompensation der stufenförmigen Versetzung 9 mit einer Ablenkeinrichtung 40 in Form eines eindimensional wirkenden Diffusors zeigt Fig. 8. Im Ausführungsbeispiel folgt dem Lichtmodulator 2 die Prismenanordnung 11 , welche die drei Prismen 21 , 22, 23 enthält. Die gezeichneten Lichtbündel 18, 19, 20 stellen jeweils die ausgewählte Beugungsordnung durch das Prisma 21 , das Prisma 22 und das Prisma 23 dar. Die genutzten Beugungsordnungen der Teillichtwellen werden in ihrem Winkel θ _{x1 l} θ _X2 , θ _x3 versetzt und sind daher in der Filterebene 28 nach der Linse 7 räumlich getrennt. Eine Linse 38 bildet horizontal die Filterebene 28 in einer Ausgangsebene 39 ab. Daher sind dort die Beugungsordnungen, die in der Füterebene 28 räumlich getrennt sind, wiederum räumlich getrennt Die Prismen 21 , 22, 23 der Prismenanordnung 11 lenken die modulierten Strahlenbündel 18, 19, 20 horizontal in verschiedene, aneinander angrenzende Wtnkeiberetche θ _x i , θ _x2 , θ _x3 . Damit ist der Beugungswinkelbereich θ _x = Oχi+θχ ₂ +θ _x3 des Lichtmodulators 2 horizontal vergrößert.

Fig. 8 stellt die zugehörige Seitenansicht dar. Dem Lichtmodulator 2 folgt die Prismenanordnung 11 , welche die Lichtwellen vertikal umlenkt. Die Linse 7 bildet die Prismen 21 , 22, 23 in die Filterebene 28 ab, in der das Raumfrequenzfilter 8 liegt. Die Linse 38 realisiert vertikal eine Fourier-Transformation zur Ausgangsebene 39, wo die Fourier-Transformierten der Teillichtwellen liegen. Das modulierte Licht der Hologrammsegmente läuft jedoch in unterschiedliche Winkelbereiche θ _y i , θ _y2 , θ _y 3. Da auch horizontal eine Abstrahlung in unterschiedliche Winkelbereiche θ _x i, θ _x2 , θ _x3 erfolgt, kann nur ein versetzter Gesamtwinkelbereich (θ _x , θ _y ) abgedeckt werden, wie er in Fig. 10 dargestellt ist. Die einzelnen Winkelbereiche 43, 44, 45 mit θ _x i, θ _y i; θ _x2 , θ _y2 ; θ _x3 , θ _y3 schließen sich stufenförmig versetzt aneinander an. Wie Fig. 8 zeigt, streut ein eindimensional vertikal wirkender Diffusor 40 in die Anordnung 34 das Licht und eine kontinuierliche Winkelabdeckung über einen Gesamtwinkelbereich θ _y von mindestens θ _y i+θ _y 2+θ _y 3

Ist die kodierte Information des Lichtmodulators 2 vertikal konstant, reicht der vertikal streuende Diffusor 40 zur Kompensation der Versetzung 9 aus, wobei jedoch jegliche

vertikale Informationen verloren gehen. Es ist daher nur ein horizontales Beugungsmuster mit horizontaler Struktur, wie z.B. eine Folge von parallelen Linien in vertikaler Richtung nutzbar. Eine derartige Projektionsvorrichtung kann in einem holographischen Rekonstruktionsgerät zum Realisieren eines Backlights mit virtuellen Lichtquellen dienen. In diesem FaN wird der Lichtmodulator 2 mit einem computergenerierten Hologramm kodiert, das Lichtpunkte oder Lichtlinien rekonstruiert, die zum Beleuchten eines zweiten Lichtmodulators dienen, der mit dem Videohologramm kodiert ist.

Ist aber das Projektionssystem direkt für eine holographische Rekonstruktion vorgesehen, dann ist wie Fig. 9 zeigt, ein eindimensional ablenkender Drehspiegel 41 statt des eindimensionalen Diffusors 40 erforderlich. Der Drehspiegel 41 lenkt das Licht des Lichtmodulators 2 vertikal ab. Die Anordnung 35 ist flexibler als mit dem Einsatz des eindimensionalen Diffusors 40, da der Lichtmoduiators 2 während der Zeit der Drehung des Drehspiegels 41 mit einem neuen Streifenhologramm kodiert wird. Dadurch entsteht ein Sichtbarkeitsbereich, der aus stufenförmig vertikal aneinander gesetzten Teilbereichen besteht. Somit ist auch eine vertikale Strukturierung und Vergrößerung des Sichtbarkeitsbereichs möglich.

Da durch die Fourier-Transformation der Linse 38 auch vertikal parasitäre Beugungsordnungen hervorbringt, müssen diese durch ein horizontales Spaltfilter in der Ausgangsebene 39 (nicht dargestellt) blockiert werden. Die Draufsicht ist der Darstellung in Fig. 7 gleich.

Der in der Ausgangsebene 39 (nicht eingezeichnet) angebrachte Drehspiegel 41 besitzt eine horizontale Drehachse 42. Damit werden die Strahlen aus den Winkelbereichen 43, 44, 45 vertikal abgelenkt.

Fig. 10 zeigt die Winkelbereiche 43, 44, 45, die bei ruhendem Spiegel abgedeckt werden. Horizontal sind die Winkelbereiche der genutzten Beugungsordnung aneinander gesetzt. Vertikal bewirkt die Kodierung der Modulatorzellen in benachbarte Modulatorzeilen 12, 13, 14, dass in der Filterebene 28 als stufenartig versetzte Winkelbereiche 43, 44, 45 auftreten. Daher kann bei fester Stellung des Drehspiegels 41 kein rechteckiger, parallel zu den Achsen des Koordinatensystems verlaufender Winkelbereich abgedeckt werden. Fig. 11 zeigt ein Umlenkmuster beim Drehen des Drehspiegels 41 mit vertikal in

Stufen versetzten Winkelbereicheπ 43, 44, 45, wobei der Drehspiegel 41 die Wtnkelbereiche vertikal lückenlos aneinander setzt. Die Winkelbereiche 43, 44, 45 mit der gleichen Schraffur werden zur gleichen Zeit angezeigt. Wird synchron zur Spiegeldrehung der der Lichtmodulator 2 umkodiert, lässt das Hologramm auch vertikal strukturieren. Wie die unterschiedlichen Schraffuren zeigen, werden die Winkelbereiche mit gleichem θ _y und verschiedenem θ _x im Modulator zu verschiedenen Zeiten erzeugt, Durch die vertikale Ablenkung lässt sich ein rechteckiger Winkelbereich 46 abdecken, der in Fig. 11 gepunktet markiert ist. Die Fortsätze 47, 48 an Oberkante 36 und Unterkante 37 können ausgeblendet, durch leeren LichtmodulatoMnhalt verborgen werden.

Das wird erreicht, indem jedes Teühologramm 12, 13, 14, ... des Lichtmodufators 2 bei der Rekonstruktion des Hologramms 4 entweder unter einem anderen Winkel beleuchtet wird, wobei der Beleuchtungswinkel sich in Schritten ändert, die dem maximalen Beugungswinkel θ _x i, θ _X2 , θ _x3 ,... ,θ _xk einer Modulatorzeile 12, 13, 14,... entsprechen, oder die Beleuchtung erfolgt unter einem einheitlichen Winkel, z.B. in Normalenrichtung, d.h. in z-Richtung. Das an jedem Teilhologramm 12, 13, 14,... gebeugte Licht des Hologramms 4 wird nachfolgend unter einem Winkel abgelenkt, der sich ebenfalls schrittweise entsprechend dem maximalen Beugungswinkel θ _x i,

θ _x2 , θ _X3 θ _xk vergrößert. Beide Varianten können z.B. mit dem Lichtmodulator 2 und den Prismen 21 , 22, 23,... realisiert werden, die jeweils ein Teilhologramm 12, 13, 14,... des Hologramms 4 überdecken und deren Steigung 24, 25, 26,... sich in Schritten entsprechend dem Beugungswinkel θ _x i, θ _x2 , θ _x3 ,... ,θ _xk vergrößert. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass das Raumfrequenzfilter statisch ist, mit festen lokalisierten Durchgängen in der Maske und ohne Verschlussvorrichtung.

Die Erfindung ermöglicht je nach Anwendung ein virtuelles Vergrößern der Auflösung von räumlichen Lichtmodulartormitteln oder ein Vergrößern des Sichtbarkeitsbereiches bei einer holographischen Rekonstruktion.