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Die Erfindung betrifft ein Display zum holographischen Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene, das durch das Reduzieren von Specklemustern eine verbesserte Rekonstruktionsqualität aufweist.
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Anwendungsgebiet der Erfindung sind z.B. als holographische Displays ausgebildete holographische Wiedergabeeinrichtungen, mit denen die Erzeugung, Speicherung und Rekonstruktion von Hologrammen der dreidimensionalen Szene unter Verwendung von kohärentem Laserlicht in Echtzeit oder echtzeitnah erfolgt. Die Rekonstruktion der Szene in einem derartigen Display ist von einem Sichtbarkeitsbereich aus, der auch als Betrachterfenster bezeichnet wird, in einem Rekonstruktionsraum zu sehen.
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Das Verfahren zur Rekonstruktion einer Szene, die von einem Betrachterfenster aus zu sehen ist, sowie Beispiele zum Berechnen und Kodieren des Hologramms der Szene werden in früheren Dokumenten der Anmelderin beschrieben, z.B. in (1)
EP 1 563 346 A2 , (2)
DE 10 2004 063 838 A1 oder (3)
WO 2006 / 066 919 A1 .
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Ebenso ist dort jeweils ein holographisches Display beschrieben, in welchem das genannte Verfahren zur Rekonstruktion eines Hologramms verwendet wird. Das Rekonstruktionsverfahren wird nachfolgend kurz dargestellt:
Eine dreidimensionale Szene wird zum holographischen Rekonstruieren programmtechnisch in Schnittebenen zerlegt, die jeweils eine Vielzahl von Objektpunkten dieser Szene enthalten. Die Objektpunkte charakterisieren sowohl die jeweilige geschnittene Fläche als auch in der Summe aller Flächen die räumliche Szene.
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Ein computergeneriertes Hologramm (CGH) wird aus den Objektpunkten als eine 2D-Anordnung von im Allgemeinen komplexen Werten berechnet, die in einem Lichtmodulationsmittel dargestellt werden. Das Lichtmodulationsmittel weist regulär angeordnete, steuerbare Elemente zur Modulation der Wellenfronten des einfallenden kohärenten Lichts mit den komplexen Werten der kodierten Szene auf. Mit dem kohärenten Licht und einem Rekonstruktionsmittel wird, durch Systemsteuermittel gesteuert, die Rekonstruktion der Szene in einem Rekonstruktionsraum erzeugt. Die Wellenfronten der rekonstruierten Objektpunkte werden dabei im Betrachterfenster kohärent überlagert. Dort sieht ein Betrachter von einer Augenposition aus die resultierende Rekonstruktion der Szene im Rekonstruktionsraum, der zwischen dem Betrachterfenster und einem Modulationsmittel bzw. Bildschirm aufgespannt ist.
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In Abwandlung dieses Verfahrens kann eine Rekonstruktion der Szene auch dadurch erzeugt werden, dass aus den einzelnen Objektpunkten jeweils ein CGH berechnet und als ein Subhologramm in einen separaten Bereich des Lichtmodulationsmittels eingeschrieben werden. Die Phasenverteilung der komplexen Werte im Bereich des Subhologramms entspricht dann ungefähr einer holographisch kodierten Linsenfunktion, die diesen einen Objektpunkt in ihrem Brennpunkt rekonstruiert. Die Brennweite dieser Linse hängt von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Lichtmodulationsmittel bzw. Bildschirm ab.
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Der Betrag der komplexen Werte, also die Amplitude, ist über die Ausdehnung des Subhologramms ungefähr konstant und hängt in seiner Größe von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Bildschirm bzw. Lichtmodulationsmittel und von der Intensität des Objektpunktes ab. Beim Durchgang von kohärentem Licht durch das Lichtmodulationsmittel verändern die dort eingeschriebenen komplexen Transparenzwerte die Amplitude und/oder Phase des Lichts. Mit dem modulierten Licht wird der Objektpunkt rekonstruiert. Außerhalb des Subhologramms hat dieser Objektpunkt im Lichtmodulationsmittel den Wert Null, d.h. er wird nur durch dieses Subhologramm wiedergegeben. Das insgesamt kodierte Hologramm der Szene erhält man durch Aufaddieren der komplexen Werte der einzelnen Subhologramme.
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In einer Vereinfachung des Verfahrens werden z.B. Objektpunkte nach bestimmten Kriterien zu Objektpunktgruppen zusammengestellt, die jeweils als ein CGH zeitsequentiell dargestellt werden. Ihre Wellenfronten werden in diesem Fall inkohärent im Betrachterfenster überlagert und erzeugen eine resultierende Rekonstruktion der Szene im Rekonstruktionsraum.
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Zum Betrachten der Rekonstruktion der 3D-Szene kann der Betrachter entweder auf ein Lichtmodulationsmittel schauen, in welches ein Hologramm der Szene direkt kodiert ist und das als Bildschirm dient. Dies wird als Direktsichtaufbau bezeichnet. Alternativ kann der Betrachter auf einen Bildschirm schauen, auf den eine Abbildung der im Lichtmodulationsmittel kodierten Hologrammwerte projiziert wird. Dies wird als Projektionsaufbau bezeichnet.
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Die Augenpositionen von Betrachtern werden in bekannter Weise von einem Positionsfinder ermittelt, der programmtechnisch, das heißt softwaremäßig, mit einem Speichermittel und einer Recheneinheit sowie einem Systemsteuermittel gekoppelt ist. Im Speichermittel liegen auch die zur Berechnung des CGH der Szene benötigten Informationen der Objektpunkte in Datensätzen als Look-up-Tabelle gespeichert vor.
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Das Betrachterfenster vor einem Wiedergabemittel ist größenmäßig vorgegeben und entspricht im Allgemeinen der Größe einer Augenpupille. Wellenoptisch gesehen wird ein Betrachterfenster entweder durch die direkte oder inverse Fourier-Transformierte oder Fresnel-Transformierte eines in ein Lichtmodulationsmittel kodierten Hologramms oder als Abbildung einer in das Lichtmodulationsmittel kodierten Wellenfront in einer Ebene eines Betrachterraums gebildet. Dabei umfasst das Betrachterfenster nur eine einzige Beugungsordnung einer periodischen Rekonstruktion der Szene. Die Ebene kann eine Brennebene eines Fokusmittels sein, oder auch die Bildebene einer Lichtquelle. Das Hologramm oder die Wellenfront sind dabei so aus der Szene berechnet, dass innerhalb der einen Beugungsordnung, die als Sichtbarkeitsbereich genutzt wird, jegliches Übersprechen zwischen den Betrachteraugen verhindert wird, das üblicherweise bei Rekonstruktionen unter Verwendung von Lichtmodulatoren auftritt. Kombiniert mit einer Anordnung oder einem Verfahren zum Unterdrücken höherer Beugungsordnungen lassen sich damit im Multiplex-Verfahren nacheinander einem linken und rechten Auge eines Betrachters ohne Übersprechen Szenen darstellen. Ebenso ist ein Multiplex-Verfahren für mehrere Personen nur dadurch möglich.
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Zum Darstellen der Hologramme bzw. zum Erzeugen der komplexwertigen Wellenfronten der Szene dienen z.B. die Pixel von räumlichen Lichtmodulatoren, die beispielsweise als LCD, LCoS, usw. ausgeführt sind und die Phase und/oder die Amplitude des einfallenden Lichts modulieren. Für die Wiedergabe einer bewegten Szene muss die Bildwiederholfrequenz des Lichtmodulationsmittels aber ausreichend groß sein.
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Beim Einsatz von Laserlicht zum Beleuchten eines Lichtmodulators entstehen in der Betrachterebene durch die Kohärenzeigenschaft des Lasers Muster, die als Specklemuster oder auch Granulation bekannt sind. Man versteht darunter ein granulationsartiges Interferenzmuster, das durch Interferenz vieler Lichtwellen mit statistisch unregelmäßig verteilten Phasendifferenzen entsteht. Es stört das Betrachten der Rekonstruktion der Szene und ruft dort ein räumliches Rauschen hervor.
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Ein Reduzieren der Specklemuster kann prinzipiell durch zeitliche oder/und räumliche Mittelung von Rekonstruktionen der Szene im Betrachterauge erreicht werden. Dabei mittelt immer das Auge des Betrachters über mehrere ihm dargestellte Rekonstruktionen mit unterschiedlichen Specklemustern, wodurch eine Glättung der Konturen der rekonstruierten Szene wahrgenommen wird.
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Beispielsweise wird in der
DE 195 41 071 A1 zum zeitlichen Ausmitteln der Granulation bzw. Specklemuster bei einer Echtheitsprüfung von Hologrammen eine rotierende Glasplatte in den Strahlengang gebracht. Sie rotiert dabei mit einer Frequenz, die mit der zur Aufzeichnung benutzten Frequenz eines Detektors abgestimmt ist. Dadurch treten die Specklemuster nicht mehr störend hervor.
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Ein solches Verfahren kann jedoch nur zur Verringerung von zweidimensionalen, ebenen Specklemustern angewendet werden, wobei sich die Streuscheibe in der Ebene der Specklemuster befinden muss. Nachteilig ist hier auch, dass durch eine Streuscheibe im Lichtweg zu viel Licht verloren geht. Die Verwendung einer mechanisch rotierenden Komponente im Systemaufbau eines holographischen Displays sollte eher vermieden werden.
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Es ist weiterhin bekannt, zum Reduzieren von Specklemustern die Szene mit einer vorgegebenen Anzahl von unterschiedlichen Zufallsphasen zu berechnen und die daraus resultierenden Hologramme zeitlich schnell nacheinander auf einem Lichtmodulationsmittel darzustellen. Durch die mehrfachen Hologrammberechnungen erhöht sich jedoch der Rechenaufwand erheblich. Außerdem muss ein zum Darstellen der Hologramme vorgesehenes Lichtmodulationsmittel eine sehr schnelle Bildwiederholfrequenz aufweisen.
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Aus der
GB 2 414 887 A , der
WO 2006 / 098 281 A1 und der
WO 2007 / 015 141 A2 sind jeweils Vorrichtungen bekannt, mit welchen für Displays bzw. Projektionssysteme Speckle reduziert werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, in einem holographischen Display mit einem Betrachterfenster auf der Mittelung basierende Verfahren zum Reduzieren von Specklemustern durch einfache Mittel und ohne großen Aufwand zu realisieren. Dabei sollen kohärentes Licht erzeugende Lichtquellenmittel und kommerziell erhältliche Lichtmodulationsmittel verwendet werden. Es müssen nicht unbedingt Lichtmodulationsmittel mit schneller Schaltzeit zum Einsatz kommen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dem Reduzieren von Specklemustern liegen dieser Erfindung auf der Mittelung von Rekonstruktionen der dreidimensionalen Szene durch Betrachteraugen beruhende, bereits beschriebene Verfahren der Anmelderin zugrunde. Die Verfahren basieren darauf, dass sich eine 3D-Szene aus Objekten und diese wiederum aus Objektpunkten zusammensetzt, deren specklemusterbehaftete Rekonstruktionen im Betrachterauge überlagert werden. Dazu wurden im Stand der Technik bereits nähere Ausführungen gemacht.
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Von den Verfahren ausgehend wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Rekonstruktionsstrahlengang eines holographischen Displays Mittel zum zeitlichen oder räumlichen Verschieben der modulierten Wellenfronten vorgesehen sind, um die Rekonstruktion jedes Objektpunktes durch das Verschieben zu vervielfachen und die verschobenen modulierten Wellenfronten im Auge mindestens eines Betrachters inkohärent zu überlagern. Dadurch sieht ein Betrachterauge eine resultierende Rekonstruktion mit reduziertem Specklemuster.
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In einer bevorzugten Gestaltung der Erfindung erfolgt die Vervielfachung der Rekonstruktion jedes Objektpunktes mindestens zweimal in zwei senkrecht zueinander angeordneten Richtungen.
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Die nachfolgend aufgeführten Mittel zum erfindungsgemäßen Verschieben und Überlagern sind an sich voneinander unabhängige Einrichtungen, die aber teilweise zur Lösung der Aufgabe auch miteinander kombinierbar sind. Sie können erfindungsgemäß die rekonstruierten Objektpunkte zeitsequentiell oder räumlich verschieben und überlagern.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind im Rekonstruktionsstrahlengang des holographischen Displays nachfolgende Ausgestaltungen der Verschiebungen von modulierten Wellenfronten bzw. von rekonstruierten Objektpunkten möglich:
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Spiegel vorgesehen, der mit einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse des Lichtmodulationsmittels angeordnet und sowohl entlang der optischen Achse als auch in lateraler Richtung zu bewegen ist.
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In der ersten Ausgestaltung ist in einer weiteren Gestaltungsform benachbart zum Lichtmodulationsmittel eine Prismenmatrix vorgesehen, die sowohl entlang der optischen Achse des Lichtmodulationsmittels als auch in lateraler Richtung zu bewegen ist.
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In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist benachbart zum Lichtmodulationsmittel ein steuerbar ausgebildetes Prismenpaar vorgesehen, bei dem die Brechungswinkel der Prismen zeitsequentiell mit hoher Schaltfrequenz zwischen mindestens zwei Werten variiert werden. Damit kann die modulierte Wellenfront jedes Objektpunktes mindestens einmal mit sich selbst verschoben, lateral versetzt in ein Betrachterauge gelenkt und dort überlagert werden. In einer weiteren Gestaltungsform der zweiten Ausgestaltung sind steuerbare Prismenpaare regulär in einer Matrix zum Verschieben der modulierten Wellenfronten angeordnet, wobei der Brechungswinkel der Prismen zeitsequentiell mit hoher Schaltfrequenz zwischen mindestens zwei Werten variabel ansteuerbar ist.
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In einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist das Display als holographisches Projektionsdisplay ausgebildet, bei dem ein variabel ansteuerbares Prisma zentral in einer Fourierebene angeordnet ist.
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In einer vierten Ausgestaltung der Erfindung ist benachbart zum Lichtmodulationsmittel eine Matrix rhombischer Prismen in Kombination mit einem Polarisationsumschalter vorgesehen. In einer weiteren Gestaltungsform ist für eine 2D-Verschiebung der modulierten Wellenfronten eine Zweifachkombination von rhombischer Prismenmatrix und Polarisationsumschalter benachbart zum Lichtmodulationsmittel angeordnet.
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In einer fünften Ausgestaltung der Erfindung ist benachbart zum Lichtmodulationsmittel ein doppelbrechendes Material in Kombination mit einem Polarisationsumschalter vorgesehen. Dabei ist das doppelbrechende Material vorzugsweise zweiteilig ausgeführt.
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Der Polarisationsumschalter kann als aktives Mittel in Form einer Faradayschen Zelle oder als passives Mittel in Form einer λ/2-Platte ausgebildet sein.
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In einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kombination aus zwei Bragg-Gittern mit dazwischen liegendem Abstandshalter zum lateralen eindimensionalen Verschieben der modulierten Wellenfronten parallel zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung vorgesehen und benachbart zum Lichtmodulationsmittel angeordnet.
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Die modulierte Wellenfront eines Objektpunktes erhält in einer weiteren Gestaltungsform durch die Kombination der Bragg-Gitter mit dem Abstandshalter und einem zusätzlichen 90°- Polarisationsumschalter eine sequentielle zweidimensionale Verschiebung.
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In einer weiteren Gestaltungsform sind die Bragg-Gitter mit einem 45°- Polarisator kombiniert, um die modulierte Wellenfront jedes rekonstruierten Objektpunktes in zwei senkrecht zueinander verlaufende Komponenten zu zerlegen und zeitgleich eindimensional gegeneinander zu verschieben.
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In einer weiteren Gestaltungsform erhält jede modulierte Wellenfront eine 2D-Verschiebung dadurch, dass mindestens ein Bragg-Gitter in ein Volumenhologramm für eine Richtung und mindestens ein Bragg-Gitter in ein Volumenhologramm für eine andere Richtung eingeschrieben ist.
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In einer weiteren Gestaltungsform sind zwei Volumenhologramme mit eingeschriebenen Bragg-Gittern so zueinander angeordnet, dass für jeden zweidimensional vervielfachten Objektpunkt ein resultierendes Muster erzeugt wird, in dem jeweils zwei benachbarte Objektpunkte so überlagert sind, dass sie eine zueinander senkrechte Polarisation p und s aufweisen, um zueinander inkohärent rekonstruiert zu werden.
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Dabei ist mindestens ein Bragg-Gitter für die Vervielfachung der Objektpunkte in einer Richtung nötig.
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In einer siebenten Ausgestaltung der Erfindung ist zur farbigen Rekonstruktion der Szene mit den drei Grundfarben RGB die Kombination der zwei Bragg-Gitter mit Abstandshalter für jede Farbe vorgesehen. In einer Form dieser Ausgestaltung wird zur farbigen Rekonstruktion der Szene mit den drei Grundfarben RGB die Kombination der Bragg-Gitter mit dem Abstandshalter in ein Volumenhologramm so eingeschrieben, dass jeweils zwei Bragg-Gitter pro Richtung und pro Farbe im Volumenhologramm enthalten sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausgestaltungsbeispielen näher beschrieben. Die 2 bis 8 sind in Draufsicht dargestellt. Die Figuren zeigen in
- 1 eine grafische Darstellung der Überlagerung zweier Beugungsbilder eines einzelnen Objektpunktes auf der Retina des Auges,
- 2 eine schematische Darstellung zweier rekonstruierter Objektpunkte im Rekonstruktionsraum und entsprechender Parameter zum Ermitteln der Größe eines Specklemusters,
- 3a, 3b ein erstes Ausgestaltungsbeispiel zum Verschieben der modulierten Wellenfronten mit a) einem bewegbaren Spiegel und b) einem bewegbaren Prisma,
- 4a, 4b ein zweites Ausgestaltungsbeispiel zum Verschieben der modulierten Wellenfronten mit einem variabel ansteuerbaren Prismenpaar,
- 5 ein drittes Ausgestaltungsbeispiel mit einem in einer Fourierebene angeordneten steuerbaren Prisma,
- 6a, 6b ein viertes Ausgestaltungsbeispiel mit a) einer Matrix rhombischer Prismen in Kombination mit einem Polarisationsumschalter und b) einer Zweifachkombination von rhombischer Prismenmatrix mit einem Polarisationsumschalter,
- 7 ein fünftes Ausgestaltungsbeispiel mit einem zweiteilig ausgeführten doppelbrechenden Material in Kombination mit einem Polarisationsumschalter,
- 8 ein sechstes Ausgestaltungsbeispiel mit zwei Bragg-Gittern, die durch einen Abstandshalter getrennt sind, und
- 9a, 9b zwei Ausgestaltungsformen des sechsten Ausgestaltungsbeispiels mit a) in Draufsicht und b) in Seitenansicht dargestellter sequentieller Kombination von Bragg-Gittern.
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Erfindungsgemäß ausgestaltete holographische Displays können als Direktsicht-Display oder als Projektionsdisplay realisiert werden.
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Der Grundgedanke der Erfindung zum Reduzieren von Specklemustern besteht in der inkohärenten Überlagerung der rekonstruierten Szene mit sich selbst. Da sich die Szene aus vielen Objektpunkten zusammensetzt, müssen alle rekonstruierten Objektpunkte mit sich selbst überlagert werden. Dazu werden alle rekonstruierten Objektpunkte, und damit ihre Beugungsbilder, durch Verschieben ihrer modulierten Wellenfronten im Zeit- oder Raummultiplex vervielfacht und anschließend im Betrachterauge inkohärent überlagert, ohne den Bildinhalt der Szene zu verändern.
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Jeder rekonstruierte Objektpunkt hat ein eigenes Specklemuster. Je größer die Anzahl der Überlagerungen ist, umso feiner mittelt das Betrachterauge über die verschiedenen Specklemuster und kann eine deutliche Reduzierung wahrnehmen. Die zur Rekonstruktion der Szene notwendigen technischen und Softwaremittel sind in nicht dargestellten Systemsteuermitteln vereint oder wirken mit diesen zusammen.
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In 1 ist das Ergebnis einer Verschiebung eines rekonstruierten Objektpunktes mit den Maxima und den Minima der zwei Beugungsbilder grafisch dargestellt. Beide Beugungsbilder überlagern sich inkohärent und weisen bezüglich ihrer Maxima einen bestimmten Abstand zueinander auf, mit dem ein Specklemuster sichtbar geglättet wird.
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Der statistische Charakter der Specklemuster wird durch die Korrelationslänge δSP, welche die Größe der Specklemuster angibt, bestimmt. Sie hängt für eine betrachtete Schnittebene der Szene im Rekonstruktionsraum nur vom Durchmesser der Augenpupille Dp des Betrachters und der Wellenlänge λ des abgestrahlten Lichts eines Lasers als Lichtquellenmittel ab.
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Sie kann mit folgender Gleichung (1) bestimmt werden:
wobei Dp der Durchmesser der Augenpupille, λ die Wellenlänge und S' = f' + z' die Bildweite der Schnittebene mit den Bildern der Objektpunkte
OP1;
OP2 auf der Retina des Auges sind.
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Wählt man bei der Vervielfachung eines rekonstruierten Objektpunktes OP den Abstand seiner vervielfachten Bilder OP' auf der Retina mindestens gleich der Korrelationslänge δSP , so reduziert sich die Standardabweichung der Specklemuster der rekonstruierten Objektpunkte OPn um den Faktor √2. Bei einer zweidimensionalen Verschiebung aller Objektpunkte OPn wird die Standardabweichung der Specklemuster dann halbiert.
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Zum Verdeutlichen der Zusammenhänge sind in 2 die geometrisch-optischen Beziehungen dargestellt.
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Mit Y ist der laterale Abstand in der Objektebene für die Objektpunkte OP1 und OP2 im Rekonstruktionsraum RK und mit Y' der Abstand der Bilder dieser Objektpunkte in der Bildebene bezeichnet. Der Rekonstruktionsraum RK erstreckt sich zwischen einem Lichtmodulationsmittel SLM und der Augenlinse L, von der die Objektpunkte OP1 und OP2 einen Abstand d haben. Der Durchmesser der Augenlinse L bildet hier gleichzeitig das Betrachterfenster OW.
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Die Abstände Y und Y' sind durch die Beziehung
miteinander verbunden, wobei β der Abbildungsmaßstab ist, der durch
gegeben ist. In (3) sind f die Brennweite und z die Objektweite sowie f' und z' die entsprechenden bildseitigen Größen.
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Den Gleichungen ist zu entnehmen, dass sich mit geringerem Abstand des Betrachters von der rekonstruierten Szene die sichtbare Größe der Specklemuster verkleinert. Da im Rekonstruktionsraum RK alle Schnittebenen immer die gleiche Anzahl von Rasterpunkten aufweisen, in denen sich Objektpunkte OPn befinden können, ändert sich der Abstand der Objektpunkte OPn zueinander proportional zum Abstand des Betrachterauges. Das bedeutet, dass sich auch das sichtbare Specklemuster proportional zum Abstand des Betrachterauges ändert. Die Specklemuster in jeder Schnittebene werden so vom Betrachterauge in der gleichen Größe wahrgenommen.
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Auf dieser Grundlage sind in den 3 bis 9 mögliche technische Mittel zum Verschieben und damit zum Vervielfachen und Überlagern der rekonstruierten Objektpunkte der Szene schematisch dargestellt, was für ein Reduzieren von Specklemustern durch Mittelung gemäß dieser Erfindung notwendig ist.
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Als Lichtquellenmittel werden Laser eingesetzt, die jeweils die Lichtmodulationsmittel SLM kohärent beleuchten. Die Steuerung der einzelnen Komponenten erfolgt durch nicht dargestellte Systemsteuermittel.
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Zum Vereinfachen der Zeichnungen wird immer nur die Verschiebung der Wellenfront eines rekonstruierten Objektpunktes stellvertretend für alle rekonstruierten Objektpunkte OPn der Szene gezeigt. Die Wellenfront ist als Pfeil dargestellt, der die Verschieberichtung angibt. Das Verwenden gleicher Bezugszeichen bedeutet, dass es sich um prinzipiell funktionsgleiche Komponenten handelt, es sei denn, es wird etwas anderes beschrieben.
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Die 3a und 3b zeigen für eine erste Ausgestaltung der Erfindung zwei mögliche Anordnungen zum mechanischen Verschieben der modulierten Wellenfronten von rekonstruierten Objektpunkten.
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In 3a ist ein Spiegel unter einem fest eingestellten Winkel von vorzugsweise 45° zur optischen Achse des Lichtmodulationsmittels SLM angeordnet. Er lenkt alle modulierten Wellenfronten lateral um 90° zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung ab. Der Spiegel, und mit ihm die Wellenfronten, kann sowohl eindimensional (lateral oder entlang der optischen Achse des Lichtmodulationsmittels SLM) als auch zweidimensional und damit in zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen verschoben werden. Dies ist durch die Doppelpfeile rechts als auch durch die gestrichelten Darstellungen des Strahlenverlaufs vom Spiegel weg zu erkennen. Zwei mögliche weitere Positionen des Spiegels sind durch dicke rechteckige Punkte angedeutet.
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Der Spiegel kann aber auch unter einem anderen Winkel zum Lichtmodulationsmittel SLM in Abhängigkeit von der Augenposition des Betrachters oder anderer Komponenten des holographischen Displays eingestellt sein.
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In 3b ist eine Matrix von Prismen in einer Ebene parallel zur Ebene des Lichtmodulationsmittels SLM zu sehen. Die Prismenmatrix ist sowohl eindimensional als auch zweidimensional verschiebbar, dargestellt durch senkrechte und waagerechte Doppelpfeile. Eine Verschiebung der Prismenmatrix entlang der optischen Achse ist an einem einzigen, vergrößert dargestellten Prisma gezeigt. Eine verschobene Position des Prismas, und damit auch der Wellenfront, ist durch eine gestrichelte Darstellung gekennzeichnet. Die Wellenfront wird zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung versetzt in Richtung auf ein nicht gezeigtes Betrachterauge abgelenkt. Die einzelnen Prismen sind regulär so angeordnet, dass die Prismenkeile aller Prismen in jeder Zeile in die gleiche Richtung weisen.
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Es ist als weitere Gestaltungsform hier auch eine Kombination der Komponenten Spiegel aus 3a und Prismenmatrix möglich, um eine Verschiebung zu realisieren. Auf dem Spiegel ist z.B. die Prismenmatrix angeordnet und bildet mit ihm eine kompakte optische Einheit.
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Die Wellenfront jedes rekonstruierten Objektpunktes der Szene wird mit den Anordnungen 3a und 3b zeitsequentiell verschoben und mit sich selbst überlagert. Auf der Retina des Auges wird eine doppelte (eindimensionale) oder vierfache (zweidimensionale) Anzahl der jeweiligen rekonstruierten Objektpunkte erzeugt und überlagert. Es kann auch eine größere Anzahl von Verschiebungen erzeugt werden, indem die Wellenfronten der rekonstruierten Objektpunkte in einer oder in beiden Richtungen nicht bloß einfach, sondern mehrfach verschoben werden. Die Mehrfachverschiebung ist in 3a durch mehrere in Richtung Betrachterauge zielenden Pfeile erkennbar.
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Ein zweites Ausgestaltungsbeispiel beinhaltet eine optisch bewirkte Verschiebung der modulierten Wellenfronten und ist in den 4a und 4b dargestellt.
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In einer Ebene parallel zum Lichtmodulationsmittel SLM ist ein variabel ansteuerbares Prismenpaar angeordnet, auf das eine modulierte Wellenfront eines rekonstruierten Objektpunktes trifft. Die Ausbreitungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die Wellenfront wird beim Passieren der Prismen gebrochen und dadurch parallel zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung verschoben. Der Brechungswinkel beider Prismen wird zeitsequentiell mit hoher Schaltfrequenz zwischen zwei Werten geändert, und zwar zwischen einem Wert entsprechend 4a und einem Wert entsprechend 4b. Das Verschieben bewirkt hier eine Verdoppelung eines rekonstruierten Objektpunktes und damit seine Überlagerung auf der Retina des Betrachterauges mit sich selbst und wird für alle Objektpunkte der Szene so erzeugt. Die gezeigten Darstellungen sind ein Beispiel für eine eindimensionale Verschiebung.
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Eine zweidimensionale Verschiebung modulierter Wellenfronten kann erzeugt werden durch eine Ausgestaltung der Prismen mit einer zweidimensional brechenden Form oder durch zwei identisch gestaltete Prismenpaare, die senkrecht zueinander orientiert sind.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, anstelle eines einzelnen steuerbaren Prismenpaares eine Matrix regulär angeordneter, variabel ansteuerbarer Prismenpaare zum Realisieren der Verschiebungen zu verwenden.
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In einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist ein steuerbares Prisma zentral in einer Fourierebene einer Transformationsoptik zur Verwendung in vorzugsweise einem Projektionsdisplay dargestellt.
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Parallel ausgerichtetes Laserlicht beleuchtet gemäß 5 das Lichtmodulationsmittel SLM. Die folgende Transformationsoptik transformiert die modulierten Wellenfronten in die Fourierebene FE, die gleichzeitig die vordere Brennebene einer Rekonstruktionsoptik ist. Das in der Fourierebene FE zentral angeordnete steuerbare Prisma wird zeitsequentiell mit hoher Schaltfrequenz betrieben und verschiebt dadurch die modulierten Wellenfronten sehr schnell. Mit den verschobenen Wellenfronten rekonstruiert die Rekonstruktionsoptik jeden Objektpunkt zweifach mit jeweils unterschiedlichen Specklemustern. Durch die Überlagerung der Wellenfronten in der Retina des Betrachterauges kann das Auge über die verschiedenen Specklemuster mitteln.
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Steuerbare Prismen zur Verwendung in den 3b, 4a, 4b und 5 sind z.B. Flüssigprismen, die zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten enthalten, deren optisches Brechungsverhalten durch Anlegen einer Steuerspannung änderbar ist.
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Eine vierte Ausgestaltung der Erfindung ist in den 6a und 6b dargestellt. Dem Lichtmodulationsmittel SLM ist eine Matrix rhombischer Prismen in Kombination mit einem aktiven oder passiven Polarisationsumschalter PU zugeordnet. Durch ein einzelnes rhombisches Prisma wird, wie in 6a vergrößert dargestellt, jede Wellenfront in zwei Teile mit zueinander senkrechten Polarisationen p-pol; s-pol aufgeteilt. Das einzelne rhombische Prisma ist eines von vielen, regulär angeordneten Prismen der Matrix, was durch den auf die Matrix weisenden Pfeil verdeutlicht wird. Der zwischen dem Lichtmodulationsmittel SLM und der Prismenmatrix angeordnete Polarisationsumschalter PU kann auf einen bestimmten Winkel eingestellt werden. Bei einem Winkel von z.B. 45° teilt er die modulierte Wellenfront in zwei gleich große Teile, wodurch alle rekonstruierten Objektpunkte eindimensional lateral zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung verschoben werden.
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In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann für die rhombischen Prismen z.B. ein periodisches Umschalten um 90° vorgenommen werden, um die Wellenfronten zeitsequentiell in einer Richtung zu verschieben und die Objektpunkte zu überlagern.
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Für eine 2D-Verschiebung wird die Kombination aus Prismenmatrix und Polarisationsumschalter PU entsprechend 6b doppelt angeordnet. Dabei ist zu beachten, dass die zweite Prismenmatrix in Lichtrichtung nach dem Polarisationsumschalter PU mit einem Winkel von 90° gedreht ist. Durch den Polarisationsumschalter PU wird eine Drehung des elektrischen Feldes von 45° realisiert. Damit kann die modulierte Wellenfront zeitsequentiell in vier gleiche Teile mit gleichen Intensitäten geteilt werden, die sich auf der Retina überlagern. Ein aus dieser Methode resultierendes Muster einer Überlagerung von Objektpunkten ist in 6b vergrößert dargestellt, worauf der Pfeil in der Zeichnung hinweist. Als passiver Polarisationsumschalter PU kann eine λ/2-Platte und als aktiver Polarisationsumschalter eine Faradaysche Zelle eingesetzt werden.
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Für die Verschiebung von Objektpunkten kann in einer fünften Ausgestaltung der Erfindung generell der doppelbrechende Effekt ausgenutzt werden. In einem doppelbrechenden Material sind zwei optische Achsen richtungsabhängig orientiert, so dass bei entsprechender Anordnung des Materials im Strahlenverlauf ein Strahlenbündel bzw. eine Wellenfront beim Durchgang durch Brechung in zwei Teile aufgespalten wird.
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Dementsprechend trifft die vom Lichtmodulationsmittel SLM kommende modulierte Wellenfront in 7 auf eine erste optische Komponente aus doppelbrechendem Material. Die Orientierung des Materials ist mit einem Doppelpfeil angegeben. Zwei mit s-pol und p-pol bezeichnete unterschiedlich polarisierte Wellenfronten verlassen parallel zueinander das doppelbrechende Material. Um beide Wellenfronten in eine andere Richtung zu verschieben, z.B. senkrecht zur ersten, wird eine λ/2-Platte oder ein anderer Polarisationsumschalter PU vor ein zweites doppelbrechendes Material gesetzt. Die λ/2-Platte dreht die Polarisation beider Wellenfronten um 45°, so dass beide unter diesem Winkel in das zweite Material eintreten. Nach Passieren des zweiten Materials erhält man als Ergebnis eine Verschiebung der Wellenfront eines Objektpunktes in vier Richtungen und eine entsprechend vierfache Überlagerung der Wellenfronten dieses Objektpunktes auf der Retina. Die vier verschiedenen Richtungen sind durch die Pfeile in der 7 nicht perspektivisch eingezeichnet. Benachbarte Wellenfronten auf der Retina haben eine zueinander senkrecht verlaufende Polarisation und interferieren nicht miteinander, sondern überlagern sich inkohärent.
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In einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung werden zum Verschieben der modulierten Wellenfronten Bragg-Gitter im Rekonstruktionsstrahlengang eines holographischen Displays benutzt. Sie zeigen ein ähnliches Verhalten wie ein doppelbrechendes Material. Durch die Wahl des Einfallswinkels und der Wellenlänge des Laserlichts kann man bei der Herstellung der Bragg-Gitter durch Belichtung eines holographischen Aufnahmematerials den Winkel und die Wellenlänge dieser Gitterstrukturen frei wählen. Mit diesen Eigenschaften sind Bragg-Gitter zum gezielten Verschieben von Wellenfronten und zum Vervielfachen von rekonstruierten Objektpunkten sehr gut einsetzbar.
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Die 8 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Bragg-Gitters BG mit einer Gittergeometrie von z.B. 60°/0° und 0°/60°, wobei zwischen den Gitterstrukturen ein Abstandshalter AH vorgesehen ist. Hiermit wird eine Ablenkung von einfallenden Wellenfronten des Laserlichts innerhalb des Bragg-Gitters BG um 60° realisiert. Das Bragg-Gitter BG kann hier eine Beugungseffizienz von 100% für eine Polarisationsrichtung und von 0% für die dazu senkrechte Komponente realisieren. Die Dicke des Abstandshalters AH und die Gittergeometrie (Beugungswinkel) bestimmen die jeweilige laterale Verschiebung einer auftreffenden Wellenfront zu ihrer ursprünglichen Ausbreitungsrichtung.
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Bei einem Polarisationsvektor von z.B. 45° in Bezug auf die Gittergeometrie ergeben sich zwei Wellenfronten mit gleichen Intensitäten. Das zweite Gitter hat die gleiche Geometrie wie das erste und beugt daher nur eine Wellenfront, während die andere Wellenfront das Gitter ungehindert passiert. Beide Wellenfronten treten parallel zueinander aus dem zweiten Bragg-Gitter BG aus und realisieren eine eindimensionale Verschiebung.
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Es sind auch andere Kombinationen von optimalen Polarisationsstrahlteiler-Geometrien für Bragg-Gitter BG möglich, also mit Beugungswinkeln von z.B. 45°/0° oder 30°/0° oder auch mit ungeraden Gradzahlen.
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Als Abstandshalter AH sind z.B. eine Folie, eine Kunststoffscheibe oder eine Glasplatte mit einer Dicke bis 200 µm einsetzbar.
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In den 9a und 9b sind Ansichten einer Lösung für eine 2D-Verschiebung von modulierten Wellenfronten mit Bragg-Gittern zu sehen. Grundsätzlich kann die 2D-Verschiebung entweder durch eine sequentielle Kombination von Bragg-Gittern oder durch das Einschreiben einer Anzahl von Bragg-Gittern in ein holographisches Aufnahmematerial erfolgen. Letzteres wird auch als Volumenhologramm bezeichnet.
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In 9a ist in Seitenansicht ein Volumenhologramm aus zwei Bragg-Gitter BG zu sehen. Auf die Bragg-Gitter BG fällt das vom Lichtmodulationsmittel SLM kommende modulierte Laserlicht, das zwei Polarisationskomponenten s und p enthält.
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Die Bragg-Gitter BG sind so gewählt, dass sich die modulierten Wellenfronten der Polarisationskomponente p beim Durchgang in zwei Komponenten p aufspalten. Beide Komponenten p haben die gleiche Polarisation, breiten sich aber in einer Ebene in zwei Richtungen symmetrisch zueinander aus.
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Ein zweites, nicht dargestelltes Volumenhologramm besteht ebenfalls aus zwei Bragg-Gittern. Beim Passieren des zweiten Volumenhologramms wird die andere Polarisationskomponente s in einer zur ersten Ebene senkrecht liegenden Ebene ebenfalls in zwei Komponenten s mit gleicher Polarisation zerlegt.
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Beide p-Komponenten und beide s-Komponenten (Ansicht A) der Volumenhologramme sind in 9a symmetrisch zur optischen Achse gespiegelt dargestellt.
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Die beiden Volumenhologramme sind so zueinander angeordnet, dass die Ausbreitungsrichtung der ursprünglichen modulierten Wellenfronten nach Durchgang durch beide Volumenhologramme beibehalten wird.
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Die 9b zeigt die Vorderansicht des Volumenhologramms von 9a. Auf die Darstellung des zweiten Volumenhologramms und der Abstandshalter wurde auch hier verzichtet.
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Die in den zwei Volumenhologrammen enthaltenen Bragg-Gitter BG erzeugen ein resultierendes Muster eines zweidimensional vervielfachten Objektpunktes auf der Retina, worauf mit dem Pfeil in 9b verwiesen wird. Im Muster haben jeweils zwei überlagerte Objektpunkte die gleiche Polarisation p und s. Da überlagerte benachbarte Objektpunkte zueinander unterschiedlich polarisiert sind, werden sie zueinander inkohärent rekonstruiert. Ein Betrachterauge nimmt die resultierende Rekonstruktion der Szene auch hier mit reduziertem Specklemuster wahr.
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In einer siebenten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Szene mittels Bragg-Gittern aus den drei Grundfarben RGB (rot, grün, blau) farbig rekonstruiert. Um für jede Farbe die Vervielfachung der rekonstruierten Objektpunkte zu realisieren, wird z.B. eine Kombination von Bragg-Gittern mit einem Abstandshalter entsprechend 8 für jede Farbe im Rekonstruktionsstrahlengang eingesetzt.
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In einer weiteren Ausführungsform der siebenten Ausgestaltung kann eine farbige Rekonstruktion der Szene auch dadurch erzeugt werden, dass ein Volumenhologramm für jede Farbe eine Anzahl von Bragg-Gittern enthält. Generell hängt hier die Anzahl der Bragg-Gitter von der Anzahl der gewünschten Überlagerungen der Wellenfronten jeweils eines Objektpunktes ab. Je größer die Anzahl der Überlagerungen bekanntlich ist, umso feiner kann das Auge über die verschiedenen Specklemuster mitteln.
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Erzeugt man entsprechend den Ausführungen zu 9a und b eine farbige Rekonstruktion der Szene, dann muss ein Volumenhologramm jeweils zwei Bragg-Gitter pro Farbe und pro Richtung enthalten. Das ergibt eine Anzahl von 2 x 2 x 3 = 12 Bragg-Gittern, die insgesamt mindestens für eine farbige Rekonstruktion vorhanden sein müssen.
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Durch die große Winkel-Selektivität der Bragg-Gitter muss bei der Realisierung der Erfindung beachtet werden, dass das Laserlicht mit einem sehr kleinen Winkelbereich abgestrahlt wird. Das kann realisiert werden durch
- a) ein Anordnen der die Verschiebungen bewirkenden Mittel in Lichtrichtung nach dem Lichtmodulationsmittel, aber vor einer Feldlinse, die z.B. eine Fresnellinse oder ein DOE sein kann, oder
- b) ein räumliches Zerlegen der die Verschiebungen bewirkenden Mittel in eine angemessene Anzahl individueller Bragg-Gitter, wobei die Geometrie der Bragg-Gitter mit der Position der modulierten Wellenfronten variiert.
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Insbesondere die erfindungsgemäß eingesetzten Anordnungen zum Vervielfachen aller rekonstruierten Objektpunkte der Szene mit Hilfe von Bragg-Gittern erfordern keine aktiven Komponenten im holographischen Display. Die Bragg-Gitter können technisch und ökonomisch am effektivsten von allen angeführten Mitteln eingesetzt werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass sie nicht mechanisch bewegt werden müssen, keine elektronische Ansteuerung benötigen und als ein passives Bauteil gefertigt werden können.