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 mλ ₀ = qλ _b ι _a ze erfüllt wird, wobei m die Blaze- Ordnung für die Designwellenlänge λ ₀ ist und q die Blaze-Ordnung für eine andere, sogenannte Blaze-gematchte Wellenlänge λ _b iaze 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 λ _Sy n = 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.