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WO2007099456A2 - Wellenfrontformvorrichtung - Google Patents

Wellenfrontformvorrichtung Download PDF

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WO2007099456A2
WO2007099456A2 PCT/IB2007/001467 IB2007001467W WO2007099456A2 WO 2007099456 A2 WO2007099456 A2 WO 2007099456A2 IB 2007001467 W IB2007001467 W IB 2007001467W WO 2007099456 A2 WO2007099456 A2 WO 2007099456A2
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wavefront
mirror elements
shaping device
mirror
dimensional
Prior art date
Application number
PCT/IB2007/001467
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English (en)
French (fr)
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WO2007099456A3 (de
Inventor
Philippe Renaud-Goud
Original Assignee
Seereal Technologies S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seereal Technologies S.A. filed Critical Seereal Technologies S.A.
Publication of WO2007099456A2 publication Critical patent/WO2007099456A2/de
Publication of WO2007099456A3 publication Critical patent/WO2007099456A3/de

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    • G03H2225/00—Active addressable light modulator
    • G03H2225/30—Modulation
    • G03H2225/32—Phase only

Definitions

  • the invention relates to a wavefront shaping device, in particular for a holographic reproduction, with an arrangement of mirror elements.
  • the invention also relates to a method of using a wavefront shaping device, in particular for holographic reproduction.
  • Holography is used in many areas of optical image processing for data compression and pattern recognition. In the fields of adaptive
  • Optics as well as pattern recognition allow modulators to modulate incident light, for example, to reduce or prevent aberrations in an optical system.
  • light modulators are, for example LCD, LCoS
  • light modulators which have movable mirror elements.
  • TG Bifano and JB Stewart, Boston University [5895-27] entitled "High-speed wavefront control using MEMS micromirrors” describes a silicon substrate-based device that transforms an incident optical wavefront by axial electro-mechanical micro mirror displacement
  • the device comprises an array of micromirrors each mounted on electrostatic actuators, all of which are addressed by a controller which translates the mirrors axially up to half a wavelength, that is, across the reflecting surface Way, the micromirrors shape by a phase modulation from angle up to 2 ⁇ optical
  • Wave fronts for a picture display application or in optical communication systems are wave fronts for a picture display application or in optical communication systems.
  • CA 2 190 329 C describes a light modulator for modulating the intensity and phase of an incident lightwave.
  • This has micromirrors, which are arranged on bending elements by means of electrostatic forces tilt or axially displace the micromirrors relative to their baseplate.
  • the micromirrors can be temporarily tilted by pulse width modulation for amplitude modulation by means of a control signal.
  • Phase modulation is achieved by an electrostatic force moving micromirrors axially.
  • the object is achieved with a wavefront shaping device for directly simulating a wavefront, wherein the mirror elements are tiltable and axially displaceable such that an incident wavefront can be deformed into a target wavefront.
  • the mirror elements directly convert an incident wavefront according to a target wavefront by locally different light reflections as a result of a setting pattern.
  • a setting pattern is understood to mean, in particular, a pattern consisting of the positions of the mirror elements, i. by tilting and / or axial displacement of the mirror elements.
  • the adjustment pattern can be changed very quickly by moving individual or all mirror elements. The movement of a mirror element is in this case either by an axial displacement, a tilt or a combination of both.
  • a wavefront As an incident wavefront, a wavefront is referred to, which, starting from a light source, strikes the wavefront shaping device according to the invention.
  • a target wavefront is understood here to be a desired wavefront, which corresponds to a complex distribution of values in a certain range. This complex value distribution can be calculated, for example, by reflection of a planar wavefront on a three-dimensional object.
  • the particular range may be, for example, when using the wavefront shaping device in a holographic Projection device be a viewer window.
  • the viewer window would thus have a complex distribution of values.
  • the target wavefront can be defined from the complex value distribution in the viewer window.
  • the target wavefront is thus defined in the wavefront shaping device taking into account the shape of the incident wavefront and of optical elements in propagation direction of the wavefront after the wavefront shaping device.
  • moving scenes with the help of known video signals as a sequence of shaped wavefronts holographically as a reconstruction in real time can be displayed.
  • the mirror elements are both tilted and axially displaced by means of corresponding actuators. This means that with a local change of the target wavefront, the actuators need not move all the mirror elements. Depending on the target wavefront, only a few mirror elements can be moved. Other mirror elements, for example, perform both movements, tilting and axial displacement.
  • the setting pattern of the mirror elements is reset according to the scene.
  • a control device changes the activation of the actuators of the mirror elements, whereby the mirror elements assume a corresponding position or setting.
  • the control device aligns the mirror elements in such a way that a preferably planar wavefront impinging on the mirror elements is formed directly in accordance with a target wavefront which corresponds, for example, to a single object or also to a scene having a plurality of objects.
  • the advantage of the solution according to the invention is further that computational effort is reduced by means of a fast Fourier transformation (FFT), whereby a time saving for a real-time representation when using the wavefront shaping device in a holographic reproduction device occurs.
  • FFT fast Fourier transformation
  • a more precise replica of the wavefront with a constant number of mirror elements causes a virtual increase in the resolution and thus, for example for a holographic reproduction, an enlarged reconstruction range or observer angle.
  • a combination of tilting and axial displacement of the mirror elements avoids the emergence of periodic repetitions in the reconstruction of objects of a scene which occur due to discrete scene sampling in conventional holographic display devices.
  • the mirror elements can be arranged very close to one another and a high fill factor is achieved.
  • the fill factor is the ratio of effective reflective area of all mirror elements to the total area of the wavefront shaping device.
  • a controller may particularly precisely adjust and align the mirror elements corresponding to the target wavefront when each point of a mirror element for forming a target wavefront has a motion of at least one half wavelength. This results in a virtual increase in the resolution of the reconstruction.
  • the mirror elements are designed as micromirrors in the form of MEMS (micro-electro-mechanical systems), since these mirrors can be adjusted very precisely electrically and moved very quickly. Likewise, these are very small and the integrated control electronics of the actuators is predominantly CMOS (complementary metal oxide semiconductor) compatible. Furthermore, the CMOS (complementary metal oxide semiconductor) compatible. Furthermore, the CMOS (complementary metal oxide semiconductor) compatible.
  • Micromirror has a high reflectance of p> about 90%, compared to conventionally used, based on liquid crystal modulators with a reflectance of at most about 70%. This results in almost no loss of light.
  • the wavefront shaping device is used for the holographic reconstruction of scenes in a holographic reproduction device.
  • a reconstructed two- and / or three-dimensional scene is advantageously displayed in a large reconstruction area.
  • the object according to the invention is furthermore achieved by a method for using a wavefront shaping device with movable mirror elements, in particular for a holographic reproduction, wherein the mirror elements are moved into a setting pattern in such a way that the mirror elements transform an incident wavefront directly into a target wavefront.
  • a controller realized with actuators, depending on a target wavefront for the mirror elements, a setting pattern, which the incident wavefront after their reflection on the mirror elements directly the optical properties of a
  • Target wave front an approximation to a target wavefront can take place or a more accurate simulation of the target wavefront than in known light modulators is possible.
  • An advantage of the direct shaping of the wavefront is that a computation-intensive transformation of the required wavefront into a hologram is eliminated.
  • the at least one actuator per mirror element during axial displacement or tilting at an edge the mirror element at least a half wavelength ⁇ move.
  • a device in which all points of a mirror element can perform a maximum movement of at least one half wavelength is therefore particularly suitable for realizing the invention.
  • the actuators however, also move the mirror elements by a larger amount, for example one wavelength or more.
  • the resolution of the wave front shaping is virtually increased with the same number of mirror elements, a higher accuracy is achieved and a larger reconstruction area or observer angle is generated. Consequently, it is possible with the method according to the invention to represent a reconstructed three-dimensional scene with real depth impression during reproduction in a large reconstruction area / observer angle.
  • the mirror elements are controlled by at least one respective actuator such that at least one mirror element according to the target wavefront changes its position. Accordingly, it is not necessary that all mirror elements are tilted when changing the wavefront and moved axially by means of the actuators. All mirror elements or only a few mirror elements, for example, can only be tilted, only moved axially, perform both movements or even some
  • the invention can be used for shaping wavefronts at wavelengths in each spectral range, for example for wavefront correction of imaging optical systems and lasers, in projection devices, in optical image processing or as a holographic display.
  • Figure 2 is a schematic representation of an inventive
  • Wavefront shaping device by means of which a wavefront is formed
  • FIG. 3 is a graphic representation of the shaping of a wavefront by means of the wavefront shaping device illustrated in FIG. 2;
  • Figure 4a shows a schematic representation of a holographic
  • FIG. 4b is an enlarged detail of the holographic display device shown in FIG. 4a;
  • Figure 5 shows another embodiment of the holographic
  • Figure 6 shows another embodiment of the holographic
  • Reproduction device for at least two viewers of a reconstructed
  • FIG. 7a shows a schematic representation of a one-dimensional wavefront shaping device
  • FIG. 7b shows a schematic representation of a two-dimensional wavefront shaping device
  • Figure 8 shows a way of displaying a reconstructed scene to one or more viewers.
  • FIG. 9 shows another way of displaying the reconstructed scene to one or more viewers.
  • FIG. 1 graphically illustrates a shaped wavefront of a known light modulator.
  • the shaped wavefront can be idealized as a juxtaposition of
  • Rectangular functions are displayed in a coordinate system. On the abscissa the coordinate of the wavefront and on the ordinate the phase difference modulo 2 ⁇ is plotted.
  • the wave phases can be in a range of
  • the target wavefronts are formed.
  • mirror elements 3 of a wavefront shaping device 2 are arranged in one dimension and designed as micromirrors, in particular MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) with plane mirror surfaces.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems
  • the mirror elements 3 can also have other mirror surfaces.
  • the mirror elements 3 are arranged on actuators 4 on a substrate 5 of the wavefront shaping device 2.
  • a control device which correspondingly addresses the actuators 4, tilts and / or shifts the mirror elements 3 axially in accordance with a target wavefront.
  • the tilting and the axial displacement of the mirror elements 3 can be clearly seen in FIG. 2, whereby care should be taken that the mirror elements 3 are arranged very close to each other, so that the highest possible fill factor of the reflecting surfaces of the mirror elements 3 is achieved.
  • the mirror elements 3 have a size of for example 49 .mu.m, in particular less than 49 .mu.m, at a distance from each other of about 1 micron. This achieves a high fill factor, which here is at least 98%.
  • the wavefront shaping device 2 therefore has a multiplicity of mirror elements 3, for example 1x2000, for changing the phase of the wavefront W.
  • the mirror elements 3 are tiltable about an axis, in particular about two axes, in the case of a two-dimensional wavefront shaping device.
  • a further, more detailed description of the mirror elements 3 and their control is dispensed with, since this is already known from the prior art, for example from CA 2 190 329 C.
  • the wavefront shaping device 2 is illuminated with light rays from a light source
  • the wavefront W emanating from the light source 6 is shown here as a plane wavefront, as shown in FIGS. 1 and 2 of FIG. This level
  • Wavefront W hits, as indicated by arrows, at point 3 on the
  • Mirror elements 3 of the wavefront shaping device 2 is corresponding to the tilting and axial displacement of the mirror elements 3 according to a
  • Actuators 4 have set a setting pattern on the mirror elements 3.
  • Mirror elements 3 thus convert an incoming wavefront W into one that is necessary for the visualization of a specific three-dimensional scene.
  • FIG. 3 shows the phase characteristic of a wavefront formed with the displaceable and tiltable mirror elements 3.
  • Curve pieces 3a, 3b, 3c, 3d and 3e correspond to the required position of the mirror elements 3. It is possible that, due to the course of the phase function to be represented, the edge points of the corresponding mirror element 3 have a phase difference greater than 2 ⁇ , e.g. the curve piece 3b. Due to the combination of tilting and axial displacement of the mirror elements 3, a substantially more accurate approach to a target wavefront than in known solutions, such as light modulation devices according to FIG. 1, is possible. As a result, the resolution can be increased virtually and thus the reconstruction area or the observer angle can be increased.
  • FIG. 4 a shows a holographic display device 1 shown in principle for the reconstruction of advantageously three-dimensional scenes in plan view.
  • the holographic display device 1 in Figure 4a and shown in simplified form in the following figures as a transmissive device.
  • the wavefront shaping device 2 is a one-dimensional wavefront shaping device, which is arranged vertically here.
  • the wavefront shaping device 2 is illuminated by a lighting device 7 with a light source 8, which emits sufficiently coherent light and represents a line light source. Under sufficiently coherent light here light is understood, which is capable of interfering with the representation of a three-dimensional scene.
  • the holographic display device 1 further includes an optical system 9.
  • This optical system 9 has an imaging means 10 and a screen 11.
  • the optical system 5 can also have further optical elements, as can be seen and described, for example, in the following explanations.
  • the screen 11 is advantageously designed as a mirror, in particular as a concave mirror.
  • the screen 11 may also be another imaging optical element, such as a lens, as shown here.
  • the screen 11 is a concave mirror, there is the advantage that the extension of the optical structure of the holographic display device 1 is substantially reduced as compared with a lens-only transmissive device.
  • the screen 11 should not have a scattering surface so that a wavefront 12 emanating from the wavefront shaping device 2 is not destroyed. If a two-dimensional representation of the reconstructed scene is desired, the screen 11 may also have a diffusing surface.
  • the imaging means 10 is also implemented as a mirror or lens.
  • the monochromatic wavefront 12, which is reflected and shaped by the wavefront shaping device 2 is imaged onto a deflection element 13 by means of lens elements 19 and 20 in order to reconstruct a three-dimensional scene.
  • Such a deflection element 13 may be a galvanometer scanner, a piezo scanner, a resonance scanner, a polygon scanner, a micromirror arrangement or a similar device.
  • the deflector 13 causes an optical deflection of the wavefront 12 in the direction perpendicular to the Wavefront shaping device 2 to produce a two-dimensional wavefront 14.
  • the two-dimensional wavefront 14 is formed by the deflection of a series of parallel one-dimensional wave fronts 14 ', 14 "and 14'" and so on.
  • the optical system 9 then images the shaped two-dimensional wavefront 14 into a viewer's virtual window 15 of a viewer plane 16 in which an observer's eye is to observe the reconstructed scene.
  • the sufficiently coherent light of the light source 8 is displayed on the screen 11.
  • a Fourier-transformed FT of the wavefront 12 is formed between the lens elements 19 and 20 in the image-side focal plane.
  • the imaging means 10 of the optical system 9 then images the Fourier transform FT in the image-side focal plane 17 on the screen 11.
  • the reconstructed scene may then be viewed by the viewer in an enlarged reconstruction area 18 which is frusto-conical between the virtual viewer window 15 and the screen 11, or at an enlarged viewer angle, respectively. Due to the presence of a high fill factor of the mirror elements 3 of the wavefront shaping device 2, there are no periodic repetitions of the reconstructed scene in the observer plane 16.
  • the shaped wavefront 12 can be influenced such that the reconstruction of the three-dimensional scene takes place in the zeroth diffraction order. This is particularly advantageous because in the zeroth diffraction order the brightness or the intensity of the light is greatest.
  • the deflection element 13 it is also possible to integrate the deflection element 13 directly into the wavefront shaping device 2.
  • the wavefront shaping device 2 forms the plane wavefront W, as already described above, by means of the mirror elements 3.
  • the wavefront shaping device 2 is moved as a whole system.
  • the lens elements 19 and 20 can be omitted in this case.
  • the wavefront shaping device 2 is then arranged in the region of the deflecting element 13, that is to say in the object-side focal plane of the imaging means 10.
  • a beam splitter element 21 for color reconstruction may then be positioned, for example, between the wavefront shaping device 2 and the imaging means 10.
  • the holographic reproduction device 1 can be made more compact in overall construction.
  • the lens elements 19 and 20 may be arranged, which, as can be seen here at the individual focal lengths, for the reduction of aberrations have an equal refractive power.
  • the lens elements 19 and 20 may also have different refractive powers or focal lengths in order to change or optimize the size of the one-dimensional wavefront 12 on the deflection element 13 when it is arranged between the wavefront shaping device 2 and the optical system 9.
  • the lens elements 19 and 20 have a further advantage in this case. They then ensure that the shaped wavefront 12 reflected by the wavefront shaping device 2 is imaged onto the deflection element 13 for generating the two-dimensional wavefront 14.
  • an afocal system represented by the lens elements 19 and 20, can be used.
  • the Fourier transform FT of the wavefront 12 is formed.
  • the lens element 20 and the imaging means 10 the Fourier transform FT is imaged onto the screen 11.
  • the deflecting element 13 can also be arranged between the light source 8 and the wavefront shaping device 2. This has the advantage that as a result errors in the shaping of the two-dimensional wavefront 14 are largely prevented or reduced, since the planar wavefront W impinging on the wavefront shaping device 2 has not yet been coded.
  • the beam splitter element 21, in particular a prism block is provided in the beam direction in front of the imaging means 10.
  • the color reconstruction of the scene takes place simultaneously in the three basic colors RGB (red-green-blue).
  • the beam splitter element 21 is arranged in this embodiment between the lens elements 19 and 20, wherein it may of course also be arranged at a different position in the holographic display device 1. Likewise, another beam splitter element can be provided.
  • FIG. 4b shows an enlarged detail of the beam splitter element 21 of FIG. 4a.
  • three wavefront shaping devices 2R, 2G and 2B are provided for each of the three primary colors RGB for the simultaneous colored reconstruction of the three-dimensional scene.
  • the three wavefront shaping devices 2R, 2G and 2B are illuminated by three light sources 8R, 8G and 8B.
  • the beam splitter element 21 is arranged between the lens elements 19 and 20.
  • a semitransparent mirror is arranged between the beam splitter element 21 and the lens element 20.
  • the light from the light source is directed onto the semitransparent mirror and from there by means of the beam splitter element 21 to the three wavefront forming devices 2R, 2G, 2B, wherein the beam splitter element 21, the light in the three monochromatic wavefronts 12R, 12G, 12B splitted.
  • This wavefront shaping device can be illuminated with a light source which has three different-colored light-emitting diodes (LED) or a white-light LED.
  • at least one optical element for example an acousto-optic element, is required which, for example, transmits the wavefronts to the wavefront shaping device at a different angle of incidence.
  • the holographic reproduction device 1 described above has been described only for an eye of an observer. For a pair of eyes of the observer, it makes sense to provide a second wavefront shaping device 2.
  • the optical elements of the existing holographic display device 1 can continue to be used. If the observer is now in the observer plane 16 and is looking through the observer window 15, he can observe the reconstructed three-dimensional scene in the reconstruction area 18, the reconstructed three-dimensional scene being created in front of, on or behind the screen 11.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the holographic reproduction device 1.
  • the design of the reproduction device 1 basically corresponds to that of FIG. 4a. Therefore, like parts have the same reference numerals.
  • the display device 1 also has a position detection system 22 for determining changes in an eye position of a viewer in the observer plane 16.
  • the position detection system 22 may be, for example, a camera.
  • a deflection means 23 between the imaging means 10 and the screen 11, in particular in the image-side focal plane of the imaging means 10, is arranged.
  • the deflection means 23 is individually controllable and designed as a mirror. For tracking the observer window 15, a very precise deflection means is needed.
  • the deflection means 23 may be, for example, a galvanometer scanner. Of course, it is also possible to use other deflection means, such as MEMS arrangements, piezo scanners or the like. Likewise, the deflection means 23 can deflect in at least one of the directions horizontally and / or vertically. That is, the deflection means 23 in one-dimensional embodiment, either horizontally or vertically, the observer window 15 tracks. In a two-dimensional embodiment of the deflection means 23, the viewer window 15 in both directions, horizontal and vertically, be tracked.
  • the deflection means 23 may be designed as an xy-galvanometer scanner, or it is also possible to use two successively arranged galvanometer scanners, one for a horizontal and one for a vertical tracking. Furthermore, a second imaging means 24 connected downstream of the deflection means 23 in the light direction is provided. Since the magnification for imaging on the screen 11 must be very large, the second imaging means 24 may be implemented as a lens system as well as a lens system for reducing aberrations.
  • the wavefront W emitted by the light source 8 is incident on the wavefront shaping device 2, which reflects the shaped wavefront 12. After reflection, the shaped wavefront 12 passes through the lens elements 19 and 20 and is imaged by them onto the deflection element 13. At the same time, by means of the lens element 19, the Fourier transform FT of the wavefront 12 is formed in the image-side focal plane of the lens element 19. After the formation of the two-dimensional shaped wavefront 14, it strikes the deflection means 23 after passing through the imaging means 10 Position detection system 22 this movement can be detected. For tracking the observer window 15, the deflection means 23 can then be controlled with the position detection system 22.
  • an image of the shaped two-dimensional wavefront 14 is formed in an image-side focal plane 25 of the second imaging means 24.
  • This two-dimensional image in the focal plane 25 is then imaged via the screen 11 into the observer window 15.
  • the image of the Fourier transform FT is formed in a image-side focal plane 26 of the imaging means 10.
  • the second imaging means 24 maps the mapping of the Fourier transform FT onto the screen 11. For a pair of eyes of the beholder, it is also useful here to provide a second wavefront shaping device 2.
  • the observer If the observer is now in the observer plane 16 and is looking through the observer window 15, he can observe the reconstructed three-dimensional scene in the reconstruction area 18, the reconstructed three-dimensional scene being created in front of, on or behind the screen 11. But it is also possible here, only with a single wavefront shaping device 2 a pair of eyes of the viewer, the reconstructed Scene represent, wherein the wavefront shaping device 2 is arranged horizontally again.
  • a colored reconstruction of the three-dimensional scene can be carried out according to the examples described above by means of the beam splitter element 21.
  • the illumination device 7 with the light source 8 can also be arranged at an arbitrary position in the holographic reproduction device 1. If, for example, the wavefront shaping device 2 is designed to be reflective, then the illumination device 7 can also be arranged in such a way that the emitted wavefront W is transmitted via a deflection element, e.g. a deflection mirror or a semitransparent mirror to which wavefront shaping device 2 is guided. It is advantageous if the light source 8 is imaged onto a Fourier plane, wherein the deflection element is arranged in the Fourier plane. In this case, at least one optical element, such as a lens, mirror or the like, may be provided between the deflection element and the wavefront shaping device 2. With reference to FIG.
  • such a deflection element can be arranged at the location of the beam splitter element 21, whereby the beam splitter element 21 can then be provided between the lens element 19 and the deflection element or between the deflection element and the lens element 20.
  • the holographic display device 1 can be made more compact in structure.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of the holographic reproduction device 1, the structure here basically corresponding to the construction of the reproduction device 1 according to FIG. Therefore, the same parts have the same reference numerals here as well.
  • the reproduction device 1 according to FIG. 6 is suitable for a plurality of viewers. For a simplified illustration, only the beam paths for two observers and only one one-dimensional wavefront per viewer are shown. In principle, however, more than two observers can observe the reconstructed three-dimensional scene.
  • the viewer window with the letter R stands for the right eye and the viewer window with the letter L for each of the left eye of a viewer.
  • two wavefront shaping devices 2 are shown in the holographic display device 1.
  • These two wavefront shaping devices 2 are illuminated by at least one illumination device 7 with at least one light source 8.
  • the light sources 8 are independent of each other with different light incidence angles.
  • the number of light sources 8 per wavefront shaping device 2 is dependent on the number of viewers of the reconstructed scene and is determined by them.
  • a single wavefront shaping device 2 is used for each of the same observer window, that is to say for the right eyes or for the left eyes of the observer.
  • the light sources 8 illuminate the mirror elements 3 of the wavefront shaping device 2 with sufficiently coherent light in respectively different angles of incidence.
  • the angles of incidence of the light of the light sources 8 for the observer windows 15R and 15L of the eye pair of a viewer are always almost identical.
  • the incident angle of the light sources 8 for generating shaped wavefronts 12L and 27L are different for the viewer windows 15L and 28L.
  • the screen 11, the deflector 13, the lens elements 19 and 20 and the imaging means 10 and 24 may be used for both wavefront shaping devices 2.
  • two deflection means 23 are provided for tracking at least two, in this case three, observer windows 15R, 15L and 28L corresponding to the respective eye position of the observer.
  • the number of deflection means 23 is dependent on the number of viewers. This means that only one deflection means 23 is used per viewer for both eyes, here observer windows 15R and 15L.
  • the second imaging means 24 is arranged in connection with a focusing element 30.
  • the second imaging means 24 is here designed as a lenticular serving to collimate the wavefronts 14R and 14L, wherein both wavefronts 14R and 14L for the left and right eyes are guided by a lenticle of the second imaging means 24 corresponding to the deflection means 23.
  • the focusing element 30 is used after the passage of the two wavefronts 14R and 14L through the corresponding lenticule of the second imaging means 24 for overlapping and focusing the wavefronts 14R and 14L on the screen 11.
  • Another deflection means 23 is provided for tracking the viewer window 28L for a two-dimensional wavefront 29L ,
  • a third illustrated deflection means 23 serves to serve a third observer, although more than three observers can observe the reconstructed scene.
  • the number of lenticules of the second imaging means 24 corresponds to the number of deflection means 23 in the display device 1.
  • the focusing element 30 can be replaced by a more complex arrangement of lenses.
  • the focusing element 30 may be formed as achromatic. It is also possible to provide the second imaging means 24 and the focusing element 30 as a single lenticular in the display device 1, for example.
  • the reconstructed three-dimensional scene arises here, as already described under FIG. 5, except that in this exemplary embodiment the holographic display device 1 is intended for a plurality of viewers and therefore the observer windows 15R, 15L and 28L are tracked via a plurality of deflection means 23. With the holographic display device 1 shown here, it is possible to operate three viewer windows simultaneously.
  • the light sources 8 can also be generated by a primary light source, not shown here, with the aid of at least one optical element.
  • the deflection means 23 which is designed as a mirror, in particular as a galvanometer scanner, can be provided with a light-scattering layer.
  • the deflection means 23 can thus be designed as a mirror which scatters in the horizontal direction.
  • the light-scattering layer can be designed, for example, as a film. The spread of the scattered light or the scattered wavefront must be perpendicular to the formed one-dimensional wavefront. Since coherence is required in a holographic reconstruction, it must not be disturbed by introducing a light-scattering layer.
  • the exemplary embodiments of the invention according to FIGS. 4 a, 5 and 6 always relate to at least one one-dimensional wavefront shaping device 2 for shaping at least one incident wavefront.
  • a one-dimensional wavefront shaping device 2 is shown in a perspective view in FIG. 7a.
  • the mirror elements 3 are arranged as a row or column on the substrate 5.
  • the actuators are not shown here.
  • the invention can also be realized with a two-dimensional wavefront shaping device 2.
  • the deflection element is no longer necessary for generating a two-dimensional wavefront.
  • the mirror elements 3 are arranged in a plurality of rows or columns on the substrate 5.
  • the mirror elements 3 of the two-dimensional wavefront shaping device 2 can be tilted and / or axially displaced about one or even two axes by means of at least one actuator. When tilting by 2 axes, the reconstruction area can be enlarged in the vertical and horizontal direction.
  • the two-dimensional wavefront of a partial image is completely built up first for the viewer B1 and then for the viewer B2.
  • the rows or columns of the shaped wavefront of a partial image belonging to the individual observers B1 and B2 are displayed alternately successively.
  • Possible fields of use of the wavefront shaping device 2 and the holographic reproduction device 1 can be displays for a two-dimensional and / or three-dimensional representation for the private and work areas, such as for example computers, television, electronic games, the automotive industry for displaying information or entertainment, medical technology, in particular for minimally invasive surgery or the spatial representation of tomographic data or for military technology for the representation of terrain profiles.
  • the present wavefront shaping device 2 and the display device 1 can also be used in other areas not mentioned here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenfrontformvorrichtung (2), insbesondere für eine holographische Wiedergabe, mit einer Anordnung von Spiegelelementen (3). Die Spiegelelemente (3) weisen jeweils wenigstens einen Aktuator (4) auf. Der jeweilige Aktuator (4) kippt und/oder verschiebt die Spiegelelemente (3) axial in wenigstens eine Richtung. Die Spiegelelemente (3) sind dabei derart angeordnet, dass durch eine Ansteuerung der Spiegelelemente (3) eine Wellenfront (W) direkt geformt wird.

Description

Wellenfrontformvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wellenfrontformvorrichtung, insbesondere für eine holographische Wiedergabe, mit einer Anordnung von Spiegelelementen. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Verwendung einer Wellenfrontformvorrichtung, insbesondere für eine holographische Wiedergabe.
Die Holographie wird in vielen Gebieten der optischen Bildverarbeitung zur Datenverdichtung und Mustererkennung eingesetzt. Auf den Gebieten der adaptiven
Optik wie auch der Mustererkennung ermöglichen Modulatoren die Modulation von einfallendem Licht, um beispielsweise Abbildungsfehler in einem optischen System zu reduzieren bzw. zu verhindern. Als Lichtmodulatoren sind beispielsweise LCD, LCoS
(Liquid Crystal on Silicon), Akusto-optische Modulatoren, OASLM (Optically Addressed Spatial Light Modulator), EASLM (Electrical Addressed Spatial Light Modulator) bekannt.
Des Weiteren sind Lichtmodulatoren bekannt, welche bewegliche Spiegelelemente aufweisen.
Beispielsweise beschreibt das Dokument T. G. Bifano and J. B. Stewart, Boston University [5895-27] mit dem Titel „High-speed wavefront control using MEMS micromirrors" eine auf Siliziumsubstrat basierende Einrichtung, welche eine auftreffende optische Wellenfront durch axiales elektro-mechanisches Verschieben von Mikrospiegeln umformt. Die Einrichtung weist eine Anordnung von Mikrospiegeln auf, welche jeweils auf elektro-statische Aktuatoren gelagert sind. Alle Aktuatoren werden von einer Steuereinrichtung adressiert, die die Spiegel um bis zu einer halben Wellenlänge axial, das heißt, quer zur Reflexionsfläche, verschiebt. Auf diese Weise formen die Mikrospiegel durch eine Phasenmodulation von Winkel bis zu 2π optische
Wellenfronten für eine Bildwiedergabeanwendung oder in optischen Kommunikationssystemen um.
Im Gegensatz dazu beschreibt die CA 2 190 329 C einen Lichtmodulator zum Modulieren der Intensität und der Phase einer einfallenden Lichtwelle. Dieser weist Mikrospiegel auf, welche auf Biegeelemente angeordnet sind, die mittels elektrostatischer Kräfte die Mikrospiegel relativ zu ihrer Grundplatte kippen oder axial verschieben. Damit können z.B. die Mikrospiegel durch Pulsweitenmodulation für eine Amplitudenmodulation mittels eines Steuersignals kurzzeitig gekippt werden. Eine Phasenmodulation wird erreicht, indem eine elektrostatische Kraft Mikrospiegel axial bewegt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wellenfrontformvorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung einer Wellenfrontformvorrichtung, insbesondere für eine holographische Wiedergabe, zu schaffen, mit welcher eine bessere Approximationsgenauigkeit bzw. bessere Nachbildung einer Wellenfront erzielt werden kann, ohne die Anzahl der Pixel der Wellenfrontformvorrichtung zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Wellenfrontformvorrichtung zum direkten Nachbilden einer Wellenfront gelöst, wobei die Spiegelelemente derart kippbar und axial verschiebbar sind, dass eine auftreffende Wellenfront in eine Zielwellenfront umformbar ist.
Die Spiegelelemente formen durch lokal verschiedene Lichtreflexionen in Folge eines Einstellungsmusters eine auftreffende Wellenfront direkt entsprechend einer Zielwellenfront um. Unter einem Einstellungsmuster wird hier insbesondere ein Muster verstanden, welches sich aus den Positionen der Spiegelelemente, d.h. durch eine Kippung und/oder eine axiale Verschiebung der Spiegelelemente, ergibt. Das Einstellungsmuster kann durch Bewegen einzelner oder aller Spiegelelemente sehr schnell verändert werden. Das Bewegen eines Spiegelelementes erfolgt in diesem Fall entweder durch ein axiales Verschieben, ein Kippen oder einer Kombination aus beidem.
Als auftreffende Wellenfront wird eine Wellenfront bezeichnet, welche von einer Lichtquelle ausgehend auf die erfindungsgemäße Wellenfrontformvorrichtung trifft. Unter einer Zielwellenfront wird hier eine gewünschte Wellenfront verstanden, die einer komplexen Werteverteilung in einem bestimmten Bereich entspricht. Diese komplexe Werteverteilung kann beispielsweise durch Reflexion einer ebenen Wellenfront an einem dreidimensionalen Objekt berechnet werden. Der bestimmte Bereich kann zum Beispiel bei Einsatz der Wellenfrontformvorrichtung in einer holographischen Projektionseinrichtung ein Betrachterfenster sein. Das Betrachterfenster würde somit eine komplexe Werteverteilung aufweisen. Auf diese Weise kann die Zielwellenfront aus der komplexen Werteverteilung in dem Betrachterfenster definiert werden. Die Zielwellenfront wird somit in der Wellenfrontformvorrichtung unter Berücksichtigung der Form der auftreffenden Wellenfront und von optischen Elementen in Ausbreitungsrichtung der Wellenfront nach der Wellenfrontformvorrichtung definiert.
Damit sind beispielsweise bewegte Szenen mit Hilfe von bekannten Videosignalen als Sequenz von geformten Wellenfronten holographisch als Rekonstruktion in Echtzeit darstellbar.
Zum Formen der einfallenden Wellenfront werden die Spiegelelemente mittels entsprechender Aktuatoren sowohl gekippt als auch axial verschoben. Das bedeutet, dass bei einer lokalen Änderung der Zielwellenfront die Aktuatoren nicht alle Spiegelelemente bewegen müssen. Abhängig von der Zielwellenfront können auch nur einige Spiegelelemente bewegt werden. Andere Spiegelelemente können beispielsweise beide Bewegungen, Kippung und axiale Verschiebung, durchführen. Bei Änderungen in der Zielwellenfront um beispielsweise eine rekonstruierte Szene in einem bestimmten Bereich darzustellen, dem so genannten Rekonstruktionsbereich, wird das Einstellungsmuster der Spiegelelemente entsprechend der Szene neu eingestellt. Um den Verlauf einer rekonstruierten Szene zu folgen, ändert eine Steuereinrichtung die Ansteuerung der Aktuatoren der Spiegelelemente, wodurch die Spiegelelemente eine entsprechende Position bzw. Einstellung einnehmen. Die Steuereinrichtung richtet die Spiegelelemente derart aus, dass eine auf die Spiegelelemente auftreffende vorzugsweise ebene Wellenfront entsprechend einer Zielwellenfront, welche beispielsweise einem einzelnen Objekt oder auch einer Szene mit mehreren Objekten entspricht, direkt geformt wird.
Auf diese Weise ist eine genauere Approximation beziehungsweise Nachbildung der Phase der erforderlichen Wellenfront im Gegensatz zu anderen bisher bekannten Lichtmodulatoren (SLM) möglich. Der Vorteil der Lösung gemäß der Erfindung besteht weiterhin darin, dass Rechenaufwand mittels einer Schnellen Fourier-Transformation (FFT) reduziert wird, wodurch eine Zeitersparnis für eine Echtzeitdarstellung bei Einsatz der Wellenfrontformvorrichtung in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung eintritt. Außerdem bewirkt ein genaueres Nachbilden der Wellenfront bei gleichbleibender Anzahl der Spiegelelemente ein virtuelles Erhöhen der Auflösung und somit beispielsweise für eine holographische Wiedergabe einen vergrößerten Rekonstruktionsbereich bzw. Betrachterwinkel.
Eine Kombination von Kippung und axialer Verschiebung der Spiegelelemente vermeidet ein Entstehen von periodischen Wiederholungen bei der Rekonstruktion von Objekten einer Szene, welche infolge von diskreter Abtastung der Szene bei herkömmlichen holographischen Wiedergabeeinrichtungen auftreten.
Wenn die Aktuatoren unterhalb der Spiegelelemente angeordnet sind, können die Spiegelelemente sehr nah zueinander angeordnet werden und ein hoher Füllfaktor wird erzielt. Der Füllfaktor ist das Verhältnis von effektiv reflektierender Fläche aller Spiegelelemente zur gesamten Fläche der Wellenfrontformvorrichtung. Bei einem Einsatz der Wellenfrontformvorrichtung in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung bewirkt ein hoher Füllfaktor der Spiegelelemente bei axialer Verschiebung den Vorteil, dass dadurch die oben genannten periodischen Wiederholungen deutlich unterdrückt werden. Bei Kippung und axialer Verschiebung der Spiegelelemente treten jedoch keine periodischen Wiederholungen auf, wobei der Kontrast deutlich erhöht wird.
Gemäß eines zusätzlichen Merkmals der Erfindung kann eine Steuereinrichtung die Spiegelelemente entsprechend der Zielwellenfront besonders präzise einstellen und ausrichten, wenn jeder Punkt eines Spiegelelements zur Formung einer Zielwellenfront eine Bewegung von wenigstens einer halben Wellenlänge aufweist. Dadurch erfolgt eine virtuelle Erhöhung der Auflösung der Rekonstruktion.
Von Vorteil ist, wenn die Spiegelelemente als Mikrospiegel in Form von MEMS (Micro- Electro-Mechanical-Systems) ausgeführt sind, da diese Spiegel sehr präzise elektrisch justiert und sehr schnell bewegt werden können. Ebenso sind diese sehr klein und die integrierte Ansteuerungselektronik der Aktuatoren ist vorwiegend CMOS (complementary metal oxide semiconductor) -kompatibel. Des Weiteren weisen die
Mikrospiegel einen hohen Reflexionsgrad von p > ca. 90% auf, gegenüber herkömmlich eingesetzten, auf Flüssigkristall basierenden Modulatoren mit einem Reflexionsgrad von höchstens ca. 70%. Dadurch entsteht nahezu kein Lichtverlust.
In einer Ausgestaltung der Erfindung dient die Wellenfrontformvorrichtung zum holographischen Rekonstruieren von Szenen in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung. Vorteilhaft wird dabei eine rekonstruierte zwei- und/oder dreidimensionale Szene in einem großen Rekonstruktionsbereich dargestellt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Verwendung einer Wellenfrontformvorrichtung mit beweglichen Spiegelelementen, insbesondere für eine holographische Wiedergabe, gelöst, wobei die Spiegelelemente derart in ein Einstellungsmuster bewegt werden, dass die Spiegelelemente eine auftreffende Wellenfront direkt in eine Zielwellenfront umformen.
Eine Steuereinrichtung realisiert mit Aktuatoren, abhängig von einer Zielwellenfront für die Spiegelelemente, ein Einstellungsmuster, welches der auftreffenden Wellenfront nach ihrer Reflexion an den Spiegelelementen direkt die optischen Eigenschaften einer
Zielwellenfront aufprägt. Auf diese Weise entsteht dann eine Approximation der
Zielwellenfront. Damit kann eine Annäherung an eine Zielwellenfront erfolgen bzw. ist eine genauere Nachbildung der Zielwellenfront als bei bekannten Lichtmodulatoren möglich.
Ein Vorteil der direkten Formung der Wellenfront besteht darin, dass eine rechenaufwendige Transformation der erforderlichen Wellenfront in ein Hologramm entfällt.
Um eine Weglängendifferenz über eine gesamte Wellenlänge λ einzustellen, muss, wegen der doppelten Weglänge einer sich ausbreitenden reflektierten Wellenfront, der wenigstens eine Aktuator pro Spiegelelement beim axialen Verschieben oder beim Kippen an einem Rand das Spiegelelement minimal um eine halbe Wellenlänge λ bewegen. Eine Vorrichtung, bei der alle Punkte eines Spiegelelements eine maximale Bewegung von wenigstens einer halben Wellenlänge ausführen können, ist deshalb zum Realisieren der Erfindung besonders geeignet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung können die Aktuatoren jedoch auch die Spiegelelemente um einen größeren Betrag bewegen, beispielsweise um eine Wellenlänge oder mehr. Dadurch wird die Auflösung der Wellenfrontformung bei gleicher Anzahl an Spiegelelementen virtuell erhöht, eine höhere Genauigkeit erzielt und ein größerer Rekonstruktionsbereich bzw. Betrachterwinkel erzeugt. Folglich ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, eine rekonstruierte dreidimensionale Szene mit realem Tiefeneindruck bei der Wiedergabe in einem großen Rekonstruktionsbereich/Betrachterwinkel darzustellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass zur Erzeugung von unterschiedlichen Wellenfronten die Spiegelelemente mittels wenigstens eines jeweiligen Aktuators derart angesteuert werden, dass wenigstens ein Spiegelelement entsprechend der Zielwellenfront seine Stellung verändert. Demnach ist es nicht notwendig, dass alle Spiegelelemente bei Änderung der Wellenfront gekippt und axial mittels der Aktuatoren verschoben werden. Alle Spiegelelemente oder nur einige Spiegelelemente können beispielsweise nur gekippt, nur axial verschoben werden, beide Bewegungen durchführen oder aber auch einige
Spiegelelemente ohne Änderung ihrer Stellung die neue geforderte Wellenfront formen.
Die Erfindung kann zum Formen von Wellenfronten bei Wellenlängen in jedem Spektralbereich eingesetzt werden, beispielsweise zur Wellenfrontkorrektur von abbildenden optischen Systemen und Lasern, in Projektionseinrichtungen, in der optischen Bildverarbeitung oder auch als holographisches Display.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Rekonstruktion mit monochromatischem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch für farbige holographische Rekonstruktionen anwendbar, worauf in den jeweiligen Ausführungsbeispielen noch näher eingegangen wird.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine graphische Darstellung der Modulation einer Wellenfront mittels eines bekannten phasenmodulierenden Lichtmodulators durch
Aneinanderreihen von Rechteckfunktionen; Figur 2 eine prinzipmäßige Darstellung einer erfindungsgemäßen
Wellenfrontformvorrichtung, mittels welcher eine Wellenfront geformt wird;
Figur 3 eine graphische Darstellung der Formung einer Wellenfront mittels der in Figur 2 dargestellten Wellenfrontformvorrichtung;
Figur 4a eine prinzipmäßige Darstellung einer holographischen
Wiedergabeeinrichtung mit der erfindungsgemäßen Wellenfrontformvorrichtung zur Rekonstruktion von dreidimensionalen
Szenen in der Draufsicht;
Figur 4b einen vergrößerten Ausschnitt aus der in Figur 4a dargestellten holographischen Wiedergabeeinrichtung;
Figur 5 eine weitere Ausführungsform der holographischen
Wiedergabeeinrichtung mit einem Positionserfassungssystem in der
Draufsicht;
Figur 6 eine weitere Ausführungsform der holographischen
Wiedergabeeinrichtung für wenigstens zwei Betrachter einer rekonstruierten
Szene in der Draufsicht;
Figur 7a eine prinzipmäßige Darstellung einer eindimensionalen Wellenfrontformvorrichtung;
Figur 7b eine prinzipmäßige Darstellung einer zweidimensionalen Wellenfrontformvorrichtung;
Figur 8 eine Möglichkeit zur Darstellung einer rekonstruierten Szene einem oder mehreren Betrachtern; und
Figur 9 eine weitere Möglichkeit zur Darstellung der rekonstruierten Szene einem oder mehreren Betrachtern. Figur 1 stellt eine geformte Wellenfront eines bekannten Lichtmodulators graphisch dar.
Die geformte Wellenfront kann dabei idealisiert als Aneinanderreihung von
Rechteckfunktionen in einem Koordinatensystem dargestellt werden. Auf der Abszisse ist die Koordinate der Wellenfront und auf der Ordinate die Phasendifferenz modulo 2π aufgetragen. Bei dieser Wellenformung können die Wellenphasen in einem Bereich von
0 bis 2π verschoben werden. Eine Phasenmodulation größer als 2π ist jedoch nicht möglich. Dies verschlechtert die Approximationsgenauigkeit. Dadurch lässt sich mit einem bekannten Lichtmodulator nur eine eingeschränkte Approximationsgenauigkeit beim Abtasten der Wellenfront erzeugen.
Für eine Verbesserung der Approximationsgenauigkeit wäre eine Vergrößerung der Auflösung des Lichtmodulators nötig. Je höher die Approximationsgenauigkeit, umso größer kann der Rekonstruktionsbereich sein.
Um eine genauere Nachbildung der Wellenfront und eine Vergrößerung des Rekonstruktionsbereichs bzw. des Betrachterwinkels zu erreichen, werden gemäß der Erfindung die Zielwellenfronten, wie in Figur 2 dargestellt, geformt. Diese zeigt jedoch nur schematisch die Formung einer Wellenfront. In diesem Ausführungsbeispiel sind Spiegelelemente 3 einer Wellenfrontformvorrichtung 2 eindimensional angeordnet und als Mikrospiegel, insbesondere MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) mit ebenen Spiegeloberflächen, ausgeführt. Selbstverständlich können die Spiegelelemente 3 auch andere Spiegeloberflächen aufweisen. Die Spiegelelemente 3 sind über Aktuatoren 4 auf einem Substrat 5 der Wellenfrontformvorrichtung 2 angeordnet. Eine nicht gezeigte Steuereinrichtung, welche die Aktuatoren 4 entsprechend adressiert, kippt und/oder verschiebt die Spiegelelemente 3 axial entsprechend einer Zielwellenfront. Die Kippung und die axiale Verschiebung der Spiegelelemente 3 ist in Figur 2 deutlich erkennbar, wobei darauf geachtet werden sollte, dass die Spiegelelemente 3 sehr nahe zueinander angeordnet sind, damit ein möglichst hoher Füllfaktor der reflektierenden Oberflächen der Spiegelelemente 3 erreicht wird. Die Spiegelelemente 3 besitzen eine Größe von beispielsweise 49 μm, insbesondere kleiner als 49 μm, bei einem Abstand zueinander von ca. 1 μm. Dadurch wird ein hoher Füllfaktor, welcher hier wenigstens 98% ist, erreicht. Die Wellenfrontformvorrichtung 2 weist daher zur Änderung der Phase der Wellenfront W eine Vielzahl von Spiegelelementen 3, beispielsweise 1x2000 Spiegelelemente bei einer eindimensionalen Wellenfrontformvorrichtung oder 2000x2000 Spiegelelemente 3 bei einer zweidimensionalen Wellenfrontformvorrichtung, auf. Die Spiegelelemente 3 sind bei einer zweidimensionalen Wellenfrontformvorrichtung um eine Achse, insbesondere um zwei Achsen, kippbar. Auf eine weitere, detailliertere Beschreibung der Spiegelelemente 3 und deren Ansteuerung wird verzichtet, da dies bereits aus dem Stand der Technik, z.B. aus der CA 2 190 329 C, bekannt ist.
Zum Formen und Ändern der Phase einer auftreffenden Wellenfront W in eine Zielwellenfront wird die Wellenfrontformvorrichtung 2 mit Lichtstrahlen einer Lichtquelle
6 beleuchtet. Die von der Lichtquelle 6 ausgehende Wellenfront W wird hier als eine ebene Wellenfront dargestellt, wie in 1. und 2. der Figur 2 gezeigt. Diese ebene
Wellenfront W trifft, wie mit Pfeilen angezeigt, unter dem Punkt 3. auf die
Spiegelelemente 3 der Wellenfrontformvorrichtung 2 und wird entsprechend der Kippung und axialen Verschiebung der Spiegelelemente 3 entsprechend einer
Zielwellenfront für eine Szene geformt und reflektiert. Unter Punkt 4. wird die geformte
Wellenfront W nach der Reflexion an den Spiegelelementen 3 gezeigt, wobei die
Aktuatoren 4 an den Spiegelelementen 3 ein Einstellungsmuster eingestellt haben. Die
Spiegelelemente 3 formen also eine eintreffende Wellenfront W, in eine solche um, die zur Sichtbarmachung einer bestimmten dreidimensionalen Szene erforderlich ist.
In Figur 3 ist der Phasenverlauf einer mit den verschiebbaren und kippbaren Spiegelelementen 3 geformten Wellenfront dargestellt. Kurvenstücke 3a, 3b, 3c, 3d und 3e entsprechen der erforderlichen Stellung der Spiegelelemente 3. Dabei ist es möglich, dass durch den Verlauf der darzustellenden Phasenfunktion die Randpunkte des entsprechenden Spiegelelements 3 eine Phasendifferenz größer als 2π aufweisen, wie z.B. das Kurvenstück 3b. Durch die Kombination von Kippung und axialer Verschiebung der Spiegelelemente 3 ist eine wesentlich genauere Annäherung an eine Zielwellenfront als bei bekannten Lösungen, wie Lichtmodulationseinrichtungen gemäß Figur 1 , möglich. Dadurch kann die Auflösung virtuell erhöht und somit der Rekonstruktionsbereich bzw. der Betrachterwinkel vergrößert werden.
Figur 4a zeigt eine prinzipmäßig dargestellte holographische Wiedergabeeinrichtung 1 zur Rekonstruktion von vorteilhaft dreidimensionalen Szenen in der Draufsicht. Zum besseren Verständnis ist die holographische Wiedergabeeinrichtung 1 in Figur 4a und in den nachfolgenden Figuren vereinfacht als transmissive Vorrichtung dargestellt. Im nachfolgenden wird zunächst der Grundaufbau beschrieben. Wie im Ausführungsbeispiel erkennbar, ist die Wellenfrontformvorrichtung 2 eine eindimensionale Wellenfrontformvorrichtung, welche hier vertikal angeordnet ist. Die Wellenfrontformvorrichtung 2 wird von einer Beleuchtungseinrichtung 7 mit einer Lichtquelle 8, welche hinreichend kohärentes Licht aussendet und eine Linienlichtquelle darstellt, beleuchtet. Unter hinreichend kohärentem Licht wird hier Licht verstanden, welches interferenzfähig für die Darstellung einer dreidimensionalen Szene ist. Als Lichtquelle 8 der Beleuchtungseinrichtung 7 können Laserdioden, DPSS-Laser (Diode Pumped Solid-State-Laser) oder auch andere Laser eingesetzt werden. Auch Lichtquellen mit hinreichender Kohärenz können eingesetzt werden. Jedoch sollten derartige Lichtquellen gefiltert werden, um einen erforderlichen Kohärenzgrad zu erreichen. Die holographische Wiedergabeeinrichtung 1 enthält weiterhin ein optisches System 9. Dieses optische System 9 weist ein Abbildungsmittel 10 und einen Bildschirm 11 auf. Selbstverständlich kann das optische System 5 auch weitere optische Elemente aufweisen, wie beispielsweise in den nachfolgenden Ausführungen ersichtlich und beschrieben. Der Bildschirm 11 ist vorteilhaft als Spiegel, insbesondere als Konkavspiegel, ausgeführt. Selbstverständlich kann der Bildschirm 11 auch ein anderes abbildendes optisches Element, beispielsweise eine Linse, wie hier dargestellt, sein. Ist der Bildschirm 11 ein Konkavspiegel, so besteht der Vorteil, dass die Ausdehnung des optischen Aufbaus der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 im Vergleich zu einer transmissiven Vorrichtung mit ausschließlich Linsen wesentlich reduziert wird. Der Bildschirm 11 sollte jedoch keine streuende Oberfläche aufweisen, damit eine von der Wellenfrontformvorrichtung 2 ausgehende Wellenfront 12 nicht zerstört wird. Wenn eine zweidimensionale Darstellung der rekonstruierten Szene gewünscht wird, so kann der Bildschirm 11 auch eine streuende Oberfläche aufweisen. Das Abbildungsmittel 10 ist ebenfalls als Spiegel oder Linse ausgeführt. Die von der Wellenfrontformvorrichtung 2 reflektierte und geformte monochromatische Wellenfront 12 wird zur Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene durch Linsenelemente 19 und 20 auf ein Ablenkelement 13 abgebildet. Ein derartiges Ablenkelement 13 kann ein Galvanometer-Scanner, ein Piezo-Scanner, ein Resonanz-Scanner, ein Polygon-Scanner, eine Mikrospiegelanordnung oder eine ähnliche Einrichtung sein. Das Ablenkelement 13 bewirkt eine optische Ablenkung der Wellenfront 12 in Richtung senkrecht zu der Wellenfrontformvorrichtung 2, um eine zweidimensionale Wellenfront 14 zu erzeugen. Die zweidimensionale Wellenfront 14 wird durch die Ablenkung aus einer Folge von parallel zueinander angeordneten eindimensionalen Wellenfronten 14', 14" und 14'" usw. gebildet. Das optische System 9 bildet danach die geformte zweidimensionale Wellenfront 14 in ein virtuelles Betrachterfenster 15 einer Betrachterebene 16 ab, in welcher sich ein Auge eines Betrachters zum Beobachten der rekonstruierten Szene befindet. Das hinreichend kohärente Licht der Lichtquelle 8 wird auf dem Bildschirm 11 abgebildet. Zwischen den Linsenelementen 19 und 20 in der bildseitigen Brennebene entsteht dabei eine Fourier-Transformierte FT der Wellenfront 12. Das Abbildungsmittel 10 des optischen Systems 9 bildet dann die Fourier-Transformierte FT in der bildseitigen Brennebene 17 auf dem Bildschirm 11 ab. Die rekonstruierte Szene kann dann von dem Betrachter in einem vergrößerten Rekonstruktionsbereich 18, welcher sich kegelstumpfförmig zwischen dem virtuellen Betrachterfenster 15 und dem Bildschirm 11 aufspannt, bzw. unter einem vergrößerten Betrachterwinkel betrachtet werden. Durch das Vorhandensein eines hohen Füllfaktors der Spiegelelemente 3 der Wellenfrontformvorrichtung 2 liegen keine periodischen Wiederholungen der rekonstruierten Szene in der Betrachterebene 16 vor.
Da die Spiegelelemente 3 der Wellenfrontformvorrichtung 2 mittels der Aktuatoren 4 kippbar sind, lässt sich die geformte Wellenfront 12 so beeinflussen, dass die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene in der nullten Beugungsordnung erfolgt. Dies ist besonders vorteilhaft, da in der nullten Beugungsordnung die Helligkeit bzw. die Intensität des Lichts am größten ist.
Es ist auch möglich, das Ablenkelement 13 direkt in die Wellenfrontformvorrichtung 2 zu integrieren. Dies bedeutet, dass die Wellenfrontformvorrichtung 2 die ebene Wellenfront W, wie bereits oben beschrieben, mittels der Spiegelelemente 3 formt. Zur Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront 14 wird jedoch die Wellenfrontformvorrichtung 2 als ganzes System bewegt. Die Linsenelemente 19 und 20 können in diesem Fall entfallen. Die Wellenfrontformvorrichtung 2 ist dann im Bereich des Ablenkelements 13, also in der objektseitigen Brennebene des Abbildungsmittels 10 angeordnet. Ein Strahlteilerelement 21 zur farbigen Rekonstruktion kann dann beispielsweise zwischen der Wellenfrontformvorrichtung 2 und dem Abbildungsmittel 10 positioniert sein. Weiterhin ist es auch möglich, anstatt der Bewegung bzw. Kippung des ganzen Systems nur die Anordnung aus den Spiegelelementen 3 als gesamte Einheit zur Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront 14 zu bewegen. Auf diese Weise kann die holographische Wiedergabeeinrichtung 1 im Gesamtaufbau kompakter gestaltet werden.
Zusätzlich können im Strahlengang der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 auch die Linsenelemente 19 und 20 angeordnet sein, welche, wie hier an den einzelnen Brennweiten erkennbar, zur Reduzierung von Abbildungsfehlern eine gleiche Brechkraft aufweisen. Jedoch können die Linsenelemente 19 und 20 auch unterschiedliche Brechkraft bzw. Brennweiten aufweisen, um die Größe der eindimensionalen Wellenfront 12 auf dem Ablenkelement 13 zu verändern bzw. zu optimieren, wenn dieses zwischen der Wellenfrontformvorrichtung 2 und dem optischen System 9 angeordnet ist. Die Linsenelemente 19 und 20 weisen einen weiteren Vorteil in diesem Fall auf. Sie sorgen dann dafür, dass die von der Wellenfrontformvorrichtung 2 reflektierte geformte Wellenfront 12 auf das Ablenkelement 13 zur Erzeugung der zweidimensionalen Wellenfront 14 abgebildet wird. Zur Abbildung der Wellenfront 12 auf das Ablenkelement 13 kann ein afokales System, durch die Linsenelemente 19 und 20 dargestellt, eingesetzt werden. In der bildseitigen Brennebene des Linsenelementes 19 entsteht dabei die Fourier-Transformierte FT der Wellenfront 12. Mittels des Linsenelementes 20 und des Abbildungsmittels 10 wird die Fourier-Transformierte FT auf den Bildschirm 11 abgebildet.
Das Ablenkelement 13 kann aber auch zwischen der Lichtquelle 8 und der Wellenfrontformvorrichtung 2 angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass dadurch Fehler bei der Formung der zweidimensionalen Wellenfront 14 weitestgehend verhindert bzw. reduziert werden, da die auf die Wellenfrontformvorrichtung 2 auftreffende ebene Wellenfront W noch nicht kodiert ist.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene ist mit der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 ebenfalls möglich. Dafür ist in Figur 4a das Strahlteilerelement 21 , insbesondere ein Prismenblock, in Strahlrichtung vor dem Abbildungsmittel 10 vorgesehen. Das Strahlteilerelement 21 , welches hier vorteilhaft als X-Prisma mit dichroitischen Schichten ausgeführt ist, splittet rotes, grünes und blaues Licht in drei separate Wellenfronten auf bzw. fügt die separaten Wellenfronten zu einer gemeinsamen Wellenfront zusammen. Die farbige Rekonstruktion der Szene erfolgt dabei simultan in den drei Grundfarben RGB (rot-grün-blau). Das Strahlteilerelement 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Linsenelementen 19 und 20 angeordnet, wobei es selbstverständlich auch an anderer Position in der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 angeordnet sein kann. Ebenso kann auch ein anderes Strahlteilerelement vorgesehen werden.
In Figur 4b ist ein vergrößerter Ausschnitt des Strahlteilerelementes 21 von Figur 4a dargestellt. Dabei werden zur simultanen farbigen Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene drei Wellenfrontformvorrichtungen 2R, 2G und 2B für jede der drei Grundfarben RGB vorgesehen. Die drei Wellenfrontformvorrichtungen 2R, 2G und 2B werden von drei Lichtquellen 8R, 8G und 8B beleuchtet. Das Strahlteilerelement 21 führt nach der Formung von einzelnen zugehörigen Wellenfronten 12R, 12G und 12B an den Wellenfrontformvorrichtungen 2R, 2G und 2B diese zur Weiterführung auf das Linsenelement 20 zusammen. Es ist ebenfalls möglich, dass nur eine Lichtquelle, insbesondere eine Weißlichtquelle, zur farbigen Rekonstruktion eingesetzt wird. Dabei wird auch hier das Strahlteilerelement 21 zwischen den Linsenelementen 19 und 20 angeordnet. Zwischen dem Strahlteilerelement 21 und dem Linsenelement 20 ist jedoch ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet. Zur Beleuchtung der drei Wellenfrontformvorrichtungen 2R, 2G, 2B und Formung der Wellenfronten wird das Licht der Lichtquelle auf den halbdurchlässigen Spiegel gelenkt und von dort mittels des Strahlteilerelements 21 auf die drei Wellenfrontformvorrichtungen 2R, 2G, 2B geleitet, wobei das Strahlteilerelement 21 das Licht in die drei monochromatischen Wellenfronten 12R, 12G, 12B aufsplittet. Ferner ist es auch möglich, zur farbigen Rekonstruktion nicht drei, sondern nur eine einzige Wellenfrontformvorrichtung vorzusehen, wobei diese Möglichkeit nicht dargestellt ist. Diese Wellenfrontformvorrichtung kann mit einer Lichtquelle, welche drei verschiedenfarbige Leuchtdioden (LED) oder eine Weißlicht-LED aufweist, beleuchtet werden. Zusätzlich wird jedoch noch wenigstens ein optisches Element, beispielsweise ein akusto- optisches Element benötigt, welches zum Beispiel die Wellenfronten in einem unterschiedlichen Einfallswinkel auf die Wellenfrontformvorrichtung sendet.
Statt der oben beschriebenen Farbdarstellung mit drei simultan arbeitenden Wellenfrontformeinrichtungen 2R, 2G, 2B ist auch eine sequentielle Farbdarstellung mit wenigstens einer Wellenfrontformeinrichtung möglich.
Die oben beschriebene holographische Wiedergabeeinrichtung 1 wurde nur für ein Auge eines Betrachters beschrieben. Für ein Augenpaar des Betrachters ist es sinnvoll, eine zweite Wellenfrontformvorrichtung 2 vorzusehen. Die optischen Elemente der bestehenden holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 können weiter benutzt werden. Befindet sich der Betrachter nun in der Betrachterebene 16 und blickt durch das Betrachterfenster 15, so kann er die rekonstruierte dreidimensionale Szene im Rekonstruktionsbereich 18 beobachten, wobei die rekonstruierte dreidimensionale Szene in Lichtrichtung vor, auf oder hinter dem Bildschirm 11 entsteht. Es ist aber auch möglich, nur mit einer einzigen Wellenfrontformvorrichtung 2 einem Augenpaar des Betrachters die rekonstruierte Szene darzustellen, wobei die Wellenfrontformvorrichtung 2 horizontal angeordnet ist.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1. Der Aufbau der Wiedergabeeinrichtung 1 entspricht dabei grundsätzlich dem von Figur 4a. Deshalb weisen gleiche Teile auch gleiche Bezugszeichen auf. Die Wiedergabeeinrichtung 1 weist außerdem ein Positionserfassungssystem 22 zur Bestimmung von Änderungen einer Augenposition eines Betrachters in der Betrachterebene 16 auf. Das Positionserfassungssystem 22 kann beispielsweise eine Kamera sein. Zur Nachführung des virtuellen Betrachterfensters 15 bei der Änderung der Augenposition des Betrachters ist ein Ablenkmittel 23 zwischen dem Abbildungsmittel 10 und dem Bildschirm 11 , insbesondere in der bildseitigen Brennebene des Abbildungsmittels 10, angeordnet. Das Ablenkmittel 23 ist individuell ansteuerbar und als Spiegel ausgeführt. Zum Nachführen des Betrachterfensters 15 wird ein sehr präzise arbeitendes Ablenkmittel benötigt. Aus diesem Grunde kann das Ablenkmittel 23 beispielsweise ein Galvanometer-Scanner sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Ablenkmittel, wie z.B. MEMS-Anordnungen, Piezoscanner oder ähnliche, zu verwenden. Ebenso kann das Ablenkmittel 23 in wenigstens einer der Richtungen horizontal und/oder vertikal ablenken. Das heißt, dass das Ablenkmittel 23 bei eindimensionaler Ausführung entweder nur horizontal oder vertikal das Betrachterfenster 15 nachführt. Bei einer zweidimensionalen Ausführung des Ablenkmittels 23 kann das Betrachterfenster 15 in beiden Richtungen, horizontal und vertikal, nachgeführt werden. Dazu kann das Ablenkmittel 23 als xy-Galvanometer- Scanner ausgeführt sein, oder es ist auch möglich, zwei hintereinander angeordnete Galvanometer-Scanner, einen für eine horizontale und einen für eine vertikale Nachführung, einzusetzen. Es ist weiterhin ein dem Ablenkmittel 23 in Lichtrichtung nachgeschaltetes zweites Abbildungsmittel 24 vorgesehen. Da die Vergrößerung zur Abbildung auf dem Bildschirm 11 sehr groß sein muss, kann das zweite Abbildungsmittel 24 anstatt als Linse auch als ein Linsensystem zur Reduzierung von Abbildungsfehlern ausgeführt sein.
Im nachfolgenden wird die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene anhand dieses Ausführungsbeispiels beschrieben. Die von der Lichtquelle 8 ausgesandte Wellenfront W trifft zur Formung auf die Wellenfrontformvorrichtung 2, welche die geformte Wellenfront 12 reflektiert. Nach der Reflexion tritt die geformte Wellenfront 12 durch die Linsenelemente 19 und 20 und wird von diesen auf das Ablenkelement 13 abgebildet. Gleichzeitig entsteht mittels des Linsenelements 19 die Fourier-Transformierte FT der Wellenfront 12 in der bildseitigen Brennebene des Linsenelements 19. Nach der Bildung der zweidimensionalen geformten Wellenfront 14 trifft diese nach Durchtritt durch das Abbildungsmittel 10 auf das Ablenkmittel 23. Bei Bewegung des Betrachters kann über das Positionserfassungssystem 22 diese Bewegung detektiert werden. Zur Nachführung des Betrachterfensters 15 kann dann mit dem Positionserfassungssystem 22 das Ablenkmittel 23 gesteuert werden. Mittels der Abbildungsmittel 10 und 24 entsteht dabei in einer bildseitigen Brennebene 25 des zweiten Abbildungsmittels 24 ein Bild der geformten zweidimensionalen Wellenfront 14. Dieses zweidimensionale Bild in der Brennebene 25 wird dann über den Bildschirm 11 in das Betrachterfenster 15 abgebildet. Gleichzeitig entsteht in einer bildseitigen Brennebene 26 des Abbildungsmittels 10 die Abbildung der Fourier-Transformierten FT. Das zweite Abbildungsmittel 24 bildet dann die Abbildung der Fourier-Transformierten FT auf den Bildschirm 11 ab. Für ein Augenpaar des Betrachters ist es auch hier sinnvoll, eine zweite Wellenfrontformvorrichtung 2 vorzusehen. Befindet sich der Betrachter nun in der Betrachterebene 16 und blickt durch das Betrachterfenster 15, so kann er die rekonstruierte dreidimensionale Szene im Rekonstruktionsbereich 18 beobachten, wobei die rekonstruierte dreidimensionale Szene in Lichtrichtung vor, auf oder hinter dem Bildschirm 11 entsteht. Es ist aber auch hier möglich, nur mit einer einzigen Wellenfrontformvorrichtung 2 einem Augenpaar des Betrachters die rekonstruierte Szene darzustellen, wobei die Wellenfrontformvorrichtung 2 wieder horizontal angeordnet ist.
Eine farbige Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene kann entsprechend den oben beschriebenen Beispielen mittels des Strahlteilerelementes 21 erfolgen.
Die Beleuchtungseinrichtung 7 mit der Lichtquelle 8 kann auch an einer beliebigen Position in der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 angeordnet werden. Wenn beispielsweise die Wellenfrontformvorrichtung 2, wie hier reflektiv ausgeführt ist, dann kann die Beleuchtungseinrichtung 7 auch derart angeordnet sein, dass die ausgesandte Wellenfront W über ein Ablenkelement, z.B. ein Umlenkspiegel oder ein halbdurchlässiger Spiegel, zu der Wellenfrontformvorrichtung 2 geführt wird. Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtquelle 8 auf eine Fourierebene abgebildet wird, wobei das Ablenkelement in der Fourierebene angeordnet ist. Dabei kann zwischen dem Ablenkelement und der Wellenfrontformvorrichtung 2 wenigstens ein optisches Element, wie Linse, Spiegel oder ähnliches, vorgesehen sein. Ein derartiges Ablenkelement kann beispielsweise bezogen auf Figur 5 am Ort des Strahlteilerelements 21 angeordnet sein, wobei das Strahlteilerelement 21 dann zwischen dem Linsenelement 19 und dem Ablenkelement oder zwischen dem Ablenkelement und dem Linsenelement 20 vorgesehen sein kann. Auf diese Weise kann die holographische Wiedergabeeinrichtung 1 kompakter im Aufbau gestaltet werden.
In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 dargestellt, wobei hier der Aufbau grundsätzlich dem Aufbau der Wiedergabeeinrichtung 1 gemäß Figur 5 entspricht. Deshalb weisen auch hier gleiche Teile gleiche Bezugszeichen auf. Im Gegensatz zu den Figuren 4a und 5 ist die Wiedergabeeinrichtung 1 nach Figur 6 für mehrere Betrachter geeignet. Zur vereinfachten Darstellung sind nur die Strahlengänge für zwei Betrachter und jeweils nur eine eindimensionale Wellenfront pro Betrachter dargestellt. Grundsätzlich können aber auch mehr als zwei Betrachter die rekonstruierte dreidimensionale Szene beobachten. Das Betrachterfenster mit dem Buchstaben R steht dabei für das rechte Auge und die Betrachterfenster mit den Buchstaben L für jeweils das linke Auge eines Betrachters. Zur Darstellung der rekonstruierten dreidimensionalen Szene sind hier zwei Wellenfrontformvorrichtungen 2 in der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 gezeigt. Diese zwei Wellenfrontformvorrichtungen 2 werden von jeweils einer Beleuchtungseinrichtung 7 mit wenigstens einer Lichtquelle 8 beleuchtet. Die Lichtquellen 8 sind dabei unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Lichteinfallswinkeln. Die Anzahl der Lichtquellen 8 pro Wellenfrontformvorrichtung 2 ist dabei abhängig von der Anzahl der Betrachter der rekonstruierten Szene und wird durch diese bestimmt. Für zwei oder mehrere Betrachter wird eine einzige Wellenfrontformvorrichtung 2 für jeweils das gleiche Betrachterfenster, das heißt jeweils für die rechten Augen oder jeweils für die linken Augen der Betrachter, genutzt. Die Lichtquellen 8 beleuchten mit hinreichend kohärentem Licht in jeweils unterschiedlichen Einfallswinkeln die Spiegelelemente 3 der Wellenfrontformvorrichtung 2. Die Einfallswinkel des Lichts der Lichtquellen 8 für die Betrachterfenster 15R und 15L des Augenpaares eines Betrachters sind dabei immer nahezu gleich. Das heißt, dass der Einfallswinkel der Lichtquellen 8 zur Erzeugung von geformten Wellenfronten 12L und 27L für die Betrachterfenster 15L und 28L verschieden sind. Der Bildschirm 11 , das Ablenkelement 13, die Linsenelemente 19 und 20 sowie die Abbildungsmittel 10 und 24 können für beide Wellenfrontformvorrichtungen 2 verwendet werden.
Im Unterschied zu Figur 5 sind zur Nachführung von wenigstens zwei, hier drei, Betrachterfenstern 15R, 15L und 28L entsprechend der jeweiligen Augenposition der Betrachter zwei Ablenkmittel 23 vorgesehen. Die Anzahl der Ablenkmittel 23 ist dabei von der Anzahl der Betrachter abhängig. Dies bedeutet, dass pro Betrachter nur ein Ablenkmittel 23 für beide Augen, hier Betrachterfenster 15R und 15L, verwendet wird. In Strahlrichtung hinter den Ablenkmitteln 23 ist das zweite Abbildungsmittel 24 in Verbindung mit einem Fokussierelement 30 angeordnet. Das zweite Abbildungsmittel 24 ist hier als zur Kollimation der Wellenfronten 14R und 14L dienendes Lentikular ausgeführt, wobei beide Wellenfronten 14R und 14L für das linke und rechte Auge durch ein dem Ablenkmittel 23 entsprechendes Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 24 geführt werden. Das Fokussierelement 30 dient nach Durchtritt der beiden Wellenfronten 14R und 14L durch das entsprechende Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 24 zur Überlappung und Fokussierung der Wellenfronten 14R und 14L auf den Bildschirm 11. Ein weiteres Ablenkmittel 23 ist zur Nachführung des Betrachterfensters 28L für eine zweidimensionale Wellenfront 29L vorgesehen. Ein drittes dargestelltes Ablenkmittel 23 dient zur Bedienung eines dritten Betrachters, wobei auch mehr als drei Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten können. Die Anzahl der Lentikel des zweiten Abbildungsmittels 24 entspricht dabei der Anzahl der Ablenkmittel 23 in der Wiedergabeeinrichtung 1. Zur Reduzierung von Abbildungsfehlern kann das Fokussierelement 30 durch eine komplexere Anordnung von Linsen ersetzt werden. Beispielsweise kann das Fokussierelement 30 als Achromat ausgebildet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, das zweite Abbildungsmittel 24 und das Fokussierelement 30 beispielsweise als einzelnes Lentikular in der Wiedergabeeinrichtung 1 vorzusehen.
Die rekonstruierte dreidimensionale Szene entsteht hier, wie bereits unter Figur 5 beschrieben, außer dass in diesem Ausführungsbeispiel die holographische Wiedergabeeinrichtung 1 für mehrere Betrachter vorgesehen ist und deshalb die Nachführung der Betrachterfenster 15R, 15L und 28L über mehrere Ablenkmittel 23 geschieht. Mit der hier dargestellten holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 wird ermöglicht, drei Betrachterfenster gleichzeitig zu bedienen.
Anstatt Lichtquellen 8 zu nutzen, welche hinreichend kohärentes Licht aussenden, das unter verschiedenen Einfallswinkeln jeweils auf die Wellenfrontformvorrichtungen 2 trifft, ist es auch möglich, eine einzige Lichtquelle 8 für jede Wellenfrontformvorrichtung 2 vorzusehen. Die Vervielfältigung der Wellenfronten geschieht dann nach der Formung und Reflexion an den Spiegelelementen 3 der Wellenfrontformvorrichtung 2. Dieses kann beispielsweise im Bereich des Ablenkelements 13 mit Hilfe eines Gitterelementes erfolgen. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass Phasendefekte von Wellenfronten der einzelnen Lichtquellen 8 auf die Wellenfrontformvorrichtungen 2 korrigiert werden können.
Die Lichtquellen 8 können auch durch eine hier nicht dargestellte primäre Lichtquelle mit Hilfe von wenigstens einem optischen Element erzeugt werden.
Bezüglich der Figuren 5 und 6 kann das Ablenkmittel 23, welches als Spiegel, insbesondere als Galvanometer-Scanner ausgebildet ist, mit einer lichtstreuenden Schicht versehen sein. Das Ablenkmittel 23 kann somit als Spiegel ausgeführt sein, der in horizontaler Richtung streut. Die lichtstreuende Schicht kann dabei z.B. als Folie ausgeführt sein. Die Ausbreitung des gestreuten Lichts bzw. der gestreuten Wellenfront muss senkrecht zur geformten eindimensionalen Wellenfront erfolgen. Da die Kohärenz bei einer holographischen Rekonstruktion benötigt wird, darf diese nicht durch Einbringung einer lichtstreuenden Schicht gestört werden. Dadurch ist es jedoch möglich, eine Aufweitung bzw. Vergrößerung der Betrachterfenster 15, 15R, 15L1 28L in nicht-kohärenter Richtung zu erreichen, wobei die Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L in der anderen Richtung durch die Ausdehnung der Beugungsordnungen begrenzt sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wellenfrontformvorrichtung 2 horizontal angeordnet ist. Auf diese Weise kann in vertikaler, nicht-kohärenter Richtung eine Aufweitung der einzelnen Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L ermöglicht werden. Deshalb ist es bei dieser Anordnung der Wellenfrontformvorrichtung 2 nicht mehr notwendig, die Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L entsprechend der vertikalen Position des Betrachters vertikal nachzuführen, da die Betrachterfenster 15, 15R, 15L, 28L in dieser Richtung eine große Ausdehnung aufweisen. Es besteht auch die Möglichkeit die lichtstreuende Schicht auf dem Bildschirm 11 aufzubringen, welcher dann nicht nur zur Abbildung und Darstellung dient, sondern auch die Fourier- Transformierte der Wellenfront in nicht-kohärenter Richtung streut.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß den Figuren 4a, 5 und 6 beziehen sich immer auf wenigstens eine eindimensionale Wellenfrontformvorrichtung 2 zur Formung wenigstens einer einfallenden Wellenfront. Eine derartige eindimensionale Wellenfrontformvorrichtung 2 ist in Figur 7a in perspektivischer Ansicht dargestellt. Wie gezeigt, sind die Spiegelelemente 3 als Zeile bzw. Spalte auf dem Substrat 5 angeordnet. Die Aktuatoren sind hier nicht mit dargestellt.
Wie Figur 7b zeigt, kann die Erfindung aber auch mit einer zweidimensional ausgeführten Wellenfrontformvorrichtung 2 realisiert werden. In diesem Fall ist das Ablenkelement zum Erzeugen einer zweidimensionalen Wellenfront nicht mehr notwendig. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Spiegelelemente 3 in mehreren Zeilen bzw. Spalten auf dem Substrat 5 angeordnet. Die Spiegelelemente 3 der zweidimensionalen Wellenfrontformvorrichtung 2 können um eine oder auch um zwei Achsen mittels wenigstens einem Aktuator gekippt und/oder axial verschoben werden. Bei einer Kippung um 2 Achsen kann eine Vergrößerung des Rekonstruktionsbereichs in vertikaler und horizontaler Richtung erzielt werden. Die Figuren 8 und 9 beschreiben verschiedene Möglichkeiten für das zeitliche Multiplexing der Zeilen bzw. Spalten S der geformten Wellenfront 12 bei der Realisierung von zweidimensionalen Wellenfronten eines Teilbildes der rekonstruierten dreidimensionalen Szene für jeweils zwei oder mehrere Betrachter B1 und B2 durch das Ablenkelement 13 im Zusammenspiel mit der eindimensionalen Wellenfrontformvorrichtung 2. Gemäß Figur 8 wird die zweidimensionale Wellenfront eines Teilbildes erst für den Betrachter B1 und dann für den Betrachter B2 vollständig aufgebaut. Gemäß Figur 9 werden die den einzelnen Betrachtern B1 und B2 zugehörigen Zeilen bzw. Spalten der geformten Wellenfront eines Teilbildes abwechselnd nacheinander dargestellt.
Mögliche Einsatzgebiete der Wellenfrontformvorrichtung 2 und der holographischen Wiedergabeeinrichtung 1 können Displays für eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich sein, wie beispielsweise für Computer, Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik, hier insbesondere für die minimal-invasive Chirurgie oder die räumliche Darstellung tomographisch gewonnener Daten oder auch für die Militärtechnik zur Darstellung von Geländeprofilen. Selbstverständlich kann die vorliegende Wellenfrontformvorrichtung 2 und die Wiedergabeeinrichtung 1 auch in anderen, hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Wellenfrontformvorrichtung mit einer Anordnung von Spiegelelementen zum direkten Nachbilden einer Wellenfront, wobei die Spiegelelemente (3) derart kippbar und axial verschiebbar sind, dass eine auftreffende Wellenfront (W) in eine Zielwellenfront umformbar ist.
2. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (3) für eine Phasenänderung der auftreffenden Wellenfront (W) kippbar sind.
3. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (3) für eine Phasenänderung der auftreffenden Wellenfront (W) axial verschiebbar sind.
4. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (3) eindimensional angeordnet sind.
5. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Aufweisen eines Ablenkelements zur Erzeugung einer zweidimensionalen Wellenfront.
6. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (3) zweidimensional angeordnet sind.
7. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Aktuator (4) zwischen jedem Spiegelelement (3) und einem Substrat (5) zur Ansteuerung angeordnet ist.
8. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder Punkt eines Spiegelelements (3) zur Formung einer Zielwellenfront eine
Bewegung von wenigstens einer halben Wellenlänge aufweist.
9. Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (3) derart zueinander angeordnet sind, dass ein Füllfaktor von wenigstens 98% erreichbar ist.
lO.Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Spiegelelemente (3) ebene Spiegeloberflächen aufweisen.
H .Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (3) jeweils um eine Achse kippbar sind, welche senkrecht zur Anordnungsrichtung der Spiegelelemente (3) liegt.
12.Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelelemente (3) um wenigstens eine Achse kippbar sind.
13.Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Spiegelelemente (3) als Mikrospiegel ausgebildet sind.
14.Wellenfrontformvorrichtung nach Anspruch 1 , zum holographischen
Rekonstruieren von Szenen.
15. Verfahren zur Verwendung einer Wellenfrontformvorrichtung mit beweglichen Spiegelelementen, wobei die Spiegelelemente (3) derart in ein
Einstellungsmuster bewegt werden, dass die Spiegelelemente eine auftreffende Wellenfront (W) direkt in eine Zielwellenfront umformen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formung der Wellenfront (W) die Spiegelelemente (3) entsprechend der Zielwellenfront gekippt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formung der Wellenfront (W) die Spiegelelemente (3) entsprechend der Zielwellenfront axial verschoben werden.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Aktuator jeweils ein Spiegelelement (3) ansteuert, wobei das Spiegelelement (3) entsprechend der Zielwellenfront eingestellt und ausgerichtet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von unterschiedlichen Wellenfronten die Spiegelelemente (3) mittels wenigstens einen jeweiligen Aktuators (4) derart angesteuert werden, dass wenigstens ein Spiegeleiement (3) entsprechend der Zielwellenfront seine Stellung verändert.
20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine dreidimensionale Szene, insbesondere eine dreidimensionale bewegte Szene, holographisch dargestellt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Szene in Echtzeit dargestellt wird.
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