DE19837425A1 - Vorrichtung zur volumetrischen Wiedergabe eines dreidimensionalen Bildes in autostereoskopischer Darstellung durch gepulste Plasmaerzeugung in natürlicher Atmosphäre mittels eines einzelnen fokussierten Laserstrahls - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur volumetrischen Wiedergabe eines dreidimensionalen Gebildes in autostereoskopischer Darstellung durch gepulste Plasmaerzeugung in natürlicher Atmosphäre mittels eines einzelnen fokussierten Laserstrahles. Es wird hierzu vorgeschlagen, daß bei einer Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Abbildung mit einem Lichtsender und einem Richtmittel, mittels Lichteinstrahlung sukzessiver ausgewählte Volumenelemente eines nichtlinearen Mediums zum Leuchten zu bringen, der Lichtsender zum Aussenden eines aufgeweiteten Lichtbündels ausgebildet ist, das Richtmittel zur selektiven Fokussierung des Lichtbündels in das jeweils ausgewählte Volumenelement ausgebildet ist und der Lichtsender eine solche Intensität besitzt, daß das Medium nur am Fokus des Lichtbündels zum Leuchten gebracht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Abbildung mit einem Lichtsender und einem Richtmittel, um mittels Lichteinstrah­ lung sukzessive ausgewählte Volumenelemente zum Leuchten zu bringen, sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines dreidimen­ sionalen Bildes nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfah­ rensanspruches.

Der Wunsch, dreidimensionale Abbildungen zu schaffen, die sich von allen Seiten frei betrachten lassen und einen besse­ ren räumlichen Eindruck vom abgebildeten Gegenstand oder ei­ ner abgebildeten Szene ergeben, als dies mit herkömmlichen, zweidimensionalen Anzeigevorrichtungen möglich ist, ist lange bekannt. Angestrebte Anwendungen sind insbesondere die Flugraumüberwachung oder Darstellungen von Computertomogram­ men in der Medizin, etwa zur Vorbereitung chirurgischer Ein­ griffe.

Es sind eine Vielzahl von Versuchen unternommen worden, um eine derartige dreidimensionale Abbildung zu erreichen. Aus der WO 96/33484 ist eine Volumenanzeigevorrichtung bekannt, wobei eine Anzeige am Schnittpunkt von zwei Strahlen gebildet wird, die aus jeder von zwei Lichtsender-Matrizen emittiert werden. Für die segmentierte 3D-Anzeige soll u. a. am Schnitt der Strahlen ein neues Photon erzeugt und somit sichtbares Licht nur dort emittiert werden.

Aus der DE 28 56 035 ist eine Anordnung zur optischen Dar­ stellung von Kurven und oder Flächen im dreidimensionalen Raum bekannt, wobei wenigstens zwei Quellen zur Aussendung je eines Strahls, vorzugsweise nicht sichtbaren Lichts und Mit­ tel zur Steuerung der Lage der Lichtstrahlen im Raum vorgese­ hen sind, ein Volumen eines Stoffs vorgesehen ist, in dem diese Lichtstrahlen zur Überlagerung jeweils in einem be­ stimmten Punkt gelenkt werden und wobei der Stoff des Volu­ mens derart beschaffen ist, daß entweder durch die Überlage­ rung der Lichtstrahlen an dem jeweiligen Punkt ein Streuzen­ trum entsteht, das vorzugsweise durch Anstrahlung mit sicht­ barem Licht sichtbar gemacht wird oder durch die Überlagerung der Lichtstrahlen an dem jeweiligen Punkt ein selbstleuchten­ der Lichtpunkt entsteht. Problematisch ist hierbei, daß zwei Lichtstrahlen aufeinander koordiniert werden müssen.

Derartige komplexe Konstruktionen sind jedoch verbreitet. Das US-Patent 4 870 485 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes mit einer Leuchtkammer. Es wird vorgeschlagen, einen leuchtfähigen Stoff wie Rubidium­ dampf in einem Kammervolumen anzuordnen und mit zwei aus un­ terschiedlichen Richtungen kommenden, schnell hin und her be­ wegten Diodenlaserstrahlen geringer Leistung zu beleuchten, wobei nur am Strahlschnittpunkt sichtbares Licht emittiert werden soll. Durch Abstimmung der beiden Laser können unter­ schiedliche Atomübergänge angeregt werden, was eine farbige Abbildung ermöglicht, vgl. den Artikel "Three-Dimension volu­ metric Display in Rubidium Vapour" von I. Kim, E. Korevaar und H. Hakakha in Projection Displays II proceedings-Reprint Band 2650 der International Society for Optical Engineering. Nachteilig ist, daß die Kammer beheizt werden muß, das Kam­ mervolumen begrenzt und die Helligkeit des Leuchtbildes ge­ ring ist. Insbesondere für großformatige Anzeigen ist damit das vorbekannte Display nicht geeignet.

Es ist weiter bekannt, in einer sog. Kathodenstrahlkugel ein dreidimensionales Bild zu erzeugen, indem mit einem Elektro­ nenstrahl ein sich in einer evakuierten Kugel schnell drehen­ der phosphoreszierenden Schirm in Helixform zum Leuchten an­ geregt wird. Ein solches System wird beispielsweise beschrie­ ben in dem Aufsatz "Visualization of Complex System Dynamics on a volumetric 3D-Display Device" von B. G. Blandel und A. J. Schwarz, der insbesondere im Internet zugänglich ist.

Weiter ist ein Verfahren bekannt, bei welcher eine rotierende Helix mittels eines Lichtstrahles angeleuchtet wird, wobei durch die Helixrotation und Bewegung des Strahls der Eindruck eines dreidimensionalen Bildes erweckt werden kann.

Weiter ist vorgeschlagen worden, einen Stapel aus mit Selte­ ner-Erde-Verbindungen beschichteten Glasplatten mit zwei In­ frarotlasern unterschiedlicher Wellenlängen zu bestrahlen, um über einen Zweiphoton-Prozeß sichtbares Licht zu erzeugen. So soll eine weitere 3D-Anzeige realisiert werden, vgl. US PS 5 684 621.

Ein Nachteil der bekannten Anordnungen ist somit, daß zur Bilderzeugung regelmäßig mehrere Lichtbündel aus unterschied­ lichen Richtungen überlagert werden müssen, was einen komple­ xen und häufig teuren optischen Aufbau zur Strahllenkung er­ fordert.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf, Neues für die gewerb­ liche Anwendung bereit zu stellen.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü­ che gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, daß Licht, welches ein nichtlineares Medium, d. h. ein Medium mit nicht­ linearen optischen Eigenschaften, zum Leuchten bringen soll, aus einer einzigen Richtung eingestrahlt werden kann, wenn es einerseits auf ein jeweils ausgewähltes Volumenelement fokus­ siert wird und sogleich eine hinreichend hohe Intensität be­ sitzt. Eine Verkörperung der Erfindung wird daher durch eine Anzeigevorrichtung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Ab­ bildung dargestellt, die einen Lichtsender und ein Richtmit­ tel aufweist, um mittels Einstrahlung nur eines einzigen Lichtbündels sukzessive ausgewählte Volumenelemente eines nichtlinearen Mediums zum Leuchten zu bringen. Dabei ist denkbar, Lichtsender und Richtmittel integral zu bilden. Wichtig ist aber, daß das Richtmittel zugleich ein variables Fokusmittel ist. Der Lichtsender strahlt also typisch ein aufgeweitetes Lichtbündel von mehreren Millimetern Durchmes­ ser aus und das Richtmittel fokussiert dieses selektiv in das jeweils ausgewählte Volumenelement in unterschiedliche Ent­ fernungen vom Richtmittel. Der Lichtsender besitzt eine sol­ che Intensität , daß das Medium zumindest zu Zeiten von In­ tensitätsspitzen zum Leuchten gebracht wird, aber nur im bzw. am Fokus des Lichtbündels. Dabei wird die Nichtlineari­ tät des Mediums genutzt.

Weil ein Leuchten nur im Fokus erzeugt wird, wird aus dem Lichtbündel außerhalb des gewünschten Volumenelements allen­ falls wenig oder gar keine Energie absorbiert, so daß der Kontrast hoch ist. Dabei wird typisch das Leuchten nur unmit­ telbar im Fokus erzeugt werden; lediglich bei extrem hohen Intensitäten ist es möglich, schon geringfügig vor dem Fokus das Medium zum Leuchten zu bringen. Es sei darauf hingewie­ sen, daß der Fokus bei realen Optiken kein Brennpunkt im ei­ gentlichen Sinn sein wird, sondern vielmehr ein Bereich end­ licher Größe, dessen genaue Form von den in Lichtsender und Richtmittel verwendeten optischen Elementen abhängt.

Als nichtlineares Medium kommen einerseits optische Kristalle in Frage, wie frequenzverdoppelndes Lithiumniobat, Kalium­ diphosphat und dergleichen; in diesem Fall wird die Intensi­ tät des Lichtsenders so gewählt, daß die Wahrnehmungsschwelle für das frequenzverdoppelte Licht nur im Fokusbereich über­ schritten wird. Auch Lösungen, insbesondere Farbstofflösungen oder andere entsprechende Flüssigkeiten, sind einsetzbar.

Ein monochromatisches Bild ist hierin beispielsweise von ei­ nem einzigen gepulsten Laser erzeugbar.

Eine farbige Abbildung kann mit einem frequenzmischenden oder verdoppelnden Medium aber ebenfalls erreicht werden, z. B. bei Farbmischung mit einem Lichtsender für jede Grundfarbe. Be­ vorzugt werden dann Lichtbündel unterschiedlicher Farbe kol­ linear in das nichtlineare Medium eingestrahlt und auf die Dispersion gegebenenfalls verwendeter transmissiver Elemente vor der Strahlzusammenführung kompensiert. Anstelle einer An­ zahl unterschiedlicher Lichtquellen kann auch ein Lichtsender verwendet werden, der bereits ein weißes oder scheinbar wei­ ßes Licht emittiert oder erzeugt und aus welchem die zur Ge­ winnung eines bestimmten Farbeindruckes nicht erforderlichen Komponenten selektiv ausgefiltert werden. Geeignet sind bei hinreichend empfindlichen Medien für den Dauerstrichbetrieb insbesondere IR-Laser, welche Laserstrahlung simultan auf ei­ ner Vielzahl von Laserwellenlängen abgeben, ähnlich den im Sichtbaren verwendeten Weißlichtlaser.

Ein gegenüber optischen Kristallen und dergl. weit bevorzug­ tes Medium ist aber Gas. Bei Umgebungsdruck kann mit einem Laserstrahlpuls ein Plasma im Fokus erzeugt werden, wie prin­ zipiell bekannt ist. Hier wird also eine Nichtliniarität des Gases genutzt. Es ist einsichtig, daß als Medium insbesondere Luft bei Atmosphärendruck verwendet werden kann. Typische Spitzenintensitäten, die zur Plasmazündung in Luft erforder­ lich sind, liegen bei guter Fokussierung von z. B. 5 µm Strahltaille im Megawatt-Bereich. Diese Leistung kann mit kurz gepulstem Lasern bereitgestellt werden, die Pulsenergien von z. B. 1/2 mJ aufweisen.

Die Pulsenergie von einem halben mJ reicht, um ein hell leuchtendes Plasma zu erzeugen. Dieses Plasma wird für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung als "selbstleuchtendes" Plasmas bezeichnet.

Eine geeignete gepulste Lichtquelle für den Lichtsender ist insbesondere ein gepulster Laser, wobei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein NdYag-Laser verwendet wird. Andere gepulste Laser sind aber gleichfalls einsetzbar. Während es möglich ist, Quasi-Dauerstrich-Laser zu konstruieren, die zwar Licht mit einer zwar schwankenden, jedoch zwischen Puls­ spitzen nicht voll auf null abfallenden Intensität emittie­ ren, ist es für Zwecke der vorliegenden Erfindung bevorzugt, Laser mit möglichst hoher Spitzenleistung zu verwenden. Der Laserpuls sollte aber so lang sein, daß damit zunächst ein Plasmafunke gezündet wird und dann das nach der Impulsspitze im Pulsschwanz noch emittierte Licht möglichst vollständig im Plasma absorbiert wird.

Wenn die Lichtsender wie bevorzugt gepulst sind, werden die Repetitionsraten typischerweise wenigstens im Bereich einiger bis einiger zehn kHertz liegen. Dies ist ausreichend, damit bei der durch das Auge gegebenen zeitlichen Auflösung ein schon hinreichend komplexes Bild aus einer Vielzahl von Leuchtpunkten aufgebaut werden kann. Bevorzugt liegen die Re­ petitionsraten einleuchtenderweise deutlich höher und sind nur von verfügbaren Laserquellen begrenzt.

Auch mit Plasma als Medium kann eine farbige Darstellung er­ zeugt werden. Hierzu wird farbiges Licht in das Plasma einge­ strahlt und dort gestreut. Wenn die Intensität des zu streu­ enden Farblichtes hinreichend hoch ist, überstrahlt das ge­ streute farbigen Licht das Selbstleuchten und erzeugt einen Farbeindruck. Die erforderliche Intensität des farbigen Lich­ tes hängt insbesondere von der spektralen Empfindlichkeit des Auges ab.

Außerdem ergibt sich der Helligkeitseindruck am Auge bei den typischerweise kurzen Zeiten, in denen an einem bestimmten Punkt ein Plasma pulsartig erzeugt wird, aus dem zeitlichen Intensitätsintegral. So kann über die gesamte Plasmalebens­ zeit farbiges Licht am Plasma gestreut werden.

Bevorzugt ist auch das am Plasma zu streuende Farblicht ge­ pulst, da Licht nur während des Vorliegens eines Plasmas zum Auge gestreut werden kann. Bei gepulsten Lasern sind die Pul­ se von Farb- und Leistungslaser zu synchronisieren. Dazu kön­ nen gesteuerte Güteschalter in den Laser-Resonatoren verwen­ det werden. Bei dem Einsatz von Farb- und Leistungslasern werden die Farblaser bevorzugt so gepulst, daß die vollstän­ dige Intensität des Farblaserlichtes am Plasma gestreut wird.

Weil typisch die Plasmarelaxationszeit mit einigen, z. B. cir­ ca 10 ns deutlich länger ist als der Lichtpuls zur Erzeugung des Plasmas (bei einem NdYag-Lasers um 30 ps), langt für die Farblichtpulse gegenüber den plasmaerzeugenden Leistungspul­ sen eine größenordnungsmäßig geringere Lichtintensität bei länger dauernden Pulsen. Die Farblaserpulse sind bevorzugt zumindest genau so lang wie die Pulse des Leistungslasers, der das eigentliche Plasma erzeugt, und dauern bevorzugt nicht wesentlich länger als die Plasmarelaxationszeit.

Bevorzugt werden auch die Farblaserstrahlen auf das Volumen fokussiert, um ihre optimale Streuung im Plasmabereich zu er­ möglichen. So ist bevorzugt, wenn Leistungs- und Farblaser­ strahlen auf etwa dieselbe Strahltaillen fokussiert werden, was durch kollineare Zuammenkopplung vor dem Richtmittel be­ wirkt werden kann. Einleuchtenderweise wird bei der Auslegung des optischen Systems das tatsächliche Strahlprofil berück­ sichtigt oder zumindest, etwa als Gaußstrahl wie per se im Stand der Technik bekannt, angenähert. Dies stellt sicher, daß sich die erforderlichen engen Brennpunkte erzielen las­ sen.

Für ein farbiges Bild ist die Mischung aus Grundfarben bevor­ zugt.

Die Richtmittel können mechanisch verstellbare Spiegel sowohl umfassen, um das Lichtbündel auf die ausgewählten Volumenele­ mente zu richten, als auch um das Lichtbündel zu fokussieren.

Für die Lenkung des Bündels sind insbesondere mechanische Stellelemente mit Galvano-Stellelementen oder mit Schrittmo­ toren einsetzbar. Diese mechanischen Stellelemente werden be­ vorzugt gesteuert, um den Laserstrahl nur längs einer ge­ wünschten Bahn zu bewegen, welche als Teil des Bildes zum Leuchten gebracht werden soll. Diese als "random access" be­ zeichnete, gesteuerte Bewegung längs einer frei bestimmten Bahn ist gegenüber dem sog. Raster-Scan-Fall bevorzugt, in welchem mit dem Richtmittel sukzessive jedes einzelne Volu­ menelement des gesamten Anzeigevolumens angesteuert wird und dabei nur jene Volumenelemente (Voxel) zum Leuchten gebracht werden, die einen hellen Bildteil ausmachen sollen. Dies liegt daran, daß oft die mechanischen Elemente des Richtmit­ tels die Komplexizität des Bildes, also dessen Größe bzw. Auflösung begrenzen. Das gesteuerte Abfahren nur der spezi­ fisch für ein gegebenes Bild gewünschten Bahn erlaubt es, bei gegebener mechanischer Auslegung ein komplexeres Bild aufzu­ bauen.

Werden im Richtmittel auch zur Fokussierung des Lichtbündels verstellbare Spiegel eingesetzt, so können diese wahlweise nur eine mechanische variierte Brennweite aufweisen oder gleichzeitig eine Strahlpositionsverschiebung bewirken.

Eine besonders bevorzugte Fokussieranordnung wird durch Para­ belspiegel realisiert. Praktisch lassen sich diese ohne Schwierigkeiten annähern durch in einer Dimension sphärisch gekrümmte Spiegel. Diese können als Vorderflächenspiegel auf Piezo-Biege-Elementen aufgebracht sein. Die Piezoelemente ver­ biegen bei Anlegen einer Spannung den Spiegel derart, daß sich seine Brennweite ändert. Die Fokussierung muß hierzu nicht mit einem einzelnen Spiegel in beiden Richtungen des Strahlquerschnittes vorgenommen werden. Vielmehr können zwei getrennt wirkende Spiegel vorgesehen werden, von welchen ei­ ner (bei Ausbreitung des Bündels in z-Richtung) einer Fokus­ sierung in x- und der andere in y-Richtung bewirkt.

Wahlweise kann das Richtmittel zur Veränderung der Fokusent­ fernung auch eine Linse mit elektrooptisch verstellbarer Brennweite umfassen. Derartige Linsen sind beispielsweise be­ kannt aus der DE 26 49 073 C2. Wegen der relativ geringen zu­ lässigen Strahlleistung derartiger Linsen wird aber am Richt­ mittel ein sehr stark aufgeweiteter Strahl benötigt.

Bevorzugt sind daher andere Fokussierungsmittel. So kann eine Zylinderlinse in den Strahl gesetzt werden, die um ihre quer zur Strahlrichtung liegende Zylinderachse gedreht wird, was die effektive Brennweite verändert. Der dabei auftretende Strahlversatz kann ohne weiteres durch eine entsprechend ein­ zustellende Parallelplatte kompensiert werden, wie per se be­ kannt.

Die Fokussierung und/oder Strahllenkung kann auch mittels Ho­ logrammen erfolgen.

Eine per se bekannte erste Möglichkeit sind akustooptische Modulatoren, die in zeitlich veränderlicher Form angesteuert werden, was den Bildaufbau erlaubt. So können bewegte Bildse­ quenzen genauso erzeugt werden, wie das durch entsprechende Steuerung von mechanischen Spiegelstellern möglich ist.

Aufgrund der nur geringen zulässigen Leistungsdichte der mei­ sten akustooptischen Modulatoren ist es jedoch bevorzugt, wenn das Richtmittel eine Vielzahl von Einzelhologrammen zur Fokussierung des Lichtbündels in unterschiedliche Entfernun­ gen und/oder in unterschiedliche Richtungen umfaßt und die Einzelhologramme wie jeweils erforderlich in das Strahlbündel bewegt werden.

Die Einzelhologramme müssen dabei nicht getrennt voneinander auf einem Träger angeordnet werden, sondern lediglich separat austastbar sein, etwa durch selektive Strahlabschattung mit­ tels LCD oder indem eine Vielzahl von Einzelhologrammen auf einem gemeinsamen Träger angeordnet wird.

Es ist möglich, die Entfernung des Fokuspunktes vom Richtmit­ tel mit einer Vielzahl von Einzelhologrammen zu variieren, indem die Strecke zwischen minimaler und maximaler Fokuspunk­ tentfernung in kleinen Schritten unterteilt und für jeden Schritt ein separates Einzelhologramm vorgesehen wird, das nach Bedarf in den Strahl bewegt wird. In einem solchen Fall wird die Lage des Fokuspunktes holographisch verändert. Eine derartige Bewegung kann beispielsweise durch eine Rotation eines zylindrischen Trägers oder die Drehung einer flachen Scheibe erzeugt werden, auf deren Umfangsbereich die Einzel­ hologramme hintereinander angeordnet sind.

Eine solche Fokussiereinrichtung kann mit mechanisch ver­ stellten Spiegeln zusammenarbeiten, um insbesondere hinter der Fokussiereinheit den Strahl auf den gewünschten Bildpunkt zu bewegen. Wahlweise kann zur Wiedergabe eines vorgegebenen dreidimensionalen Bildes oder einer kurzen Bildsequenz auch ein Einzelhologrammfür jeden Leuchtpunkt längs einer vorbe­ stimmten Bahn vorgesehen werden. Solche unveränderlichen Ein­ zelhologramme für fixe Sequenzen sind z. B. ohne weiteres bei Vorführungen in Diskotheken, zu Werbezwecken und dergleichen nützlich.

Die Einzelhologramme können zwar durch Volumenhologramme rea­ lisiert werden, bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Ober­ flächenhologrammen, die mit besonders hoher Leistung be­ strahlt werden können, ohne daß eine Beschädigung befürchtet werden muß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung be­ schrieben. In dieser sind:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Richt­ mittel, welches Hologramme verwendet;

Fig. 2 eine Anzeigevorrichtung mit verbiegbaren Spie­ geln;

Fig. 3 eine Fokussiereinheit mit einer Zylinderlinse;

Fig. 4 ein Beispiel für die Anordnung von Oberflächen­ hologrammen auf einem Drehzylinder.

Nach Fig. 1 umfaßt eine allgemein mit 1 bezeichnete Vorrich­ tung 1 zur volumetrischen Wiedergabe eines dreidimensionalen Bildes in autostereoskopischer Darstellung einen gepulsten NdYag-Laser 2 mit einer Pulsenergie von wenigstens einem hal­ ben mJ und einer Pulsdauer von etwa dreißig Picosekunden.

Der aus dem NdYag-Laser 2 emittierte Laserstrahl 3 besitzt eine durch den Laserresonator vorgegebene Divergenz und einen Durchmesser von typisch einem bis einigen Millimetern. Der divergente Laserstrahl 3 wird in einer Aufweiteoptik 4 weiter aufgeweitet und verläßt diese als nahezu paralleles Lichtbün­ del bzw. -strahl 5. Dieser parallele Strahl 5 trifft auf ein Durchlichthologramm wie z. B. Volumenhologramm 6, das geeignet ist, der Strahlleistung dauerhaft zu widerstehen, und auf ei­ ner Scheibe 7 angeordnet ist. Die Scheibe 7 dreht sich um ih­ re zur Strahlachse 5 kollineare Achse 8 und führt bei ihrer Drehbewegung abwechselnd unterschiedliche Durchlichthologram­ me 6a, 6b in den Strahl 5. An den Stellen der Durchlichtholo­ gramme 6 ist die Scheibe 7 durchbrochen. Hinter Drehscheibe 7 ist eine optionale Sammellinse 6c vorgesehen.

Die Durchlichthologramme 6 sind so gebildet, daß - gegebenen­ falls zusammenwirkend mit Linse 6c - in vorbestimmtem Abstand und in vorbestimmter Richtung von der Drehscheibe der Strahl 5 zu einem Fokuspunkt 9 fokussiert wird. Bei der Drehung der Scheibe 7 können Durchlichthologramme 6 so in den Strahl 5 bewegt werden, daß der Fokus 9 längs einer dreidimensionalen Bahn bewegt wird, welche einem abzubildenden dreidimensiona­ len Gegenstand 10 entspricht.

Die Anordnung befindet sich in der natürlichen Atmosphäre, beispielsweise im Freien oder in einem geschlossenen Veran­ staltungsraum wie einer Diskothek. Die Strahlenergie ist so hoch, und die Fokussierung auf den Fokuspunkt 9 so scharf, daß am Fokuspunkt bzw. -bereich 9 ein Plasma zündet. Bei hin­ reichend schneller und insbesondere auf die Pulse synchroni­ sierter Drehung der Drehscheibe 7 und bei hinreichend hoher Pulswiederholrate des gepulsten Ndyag-Lasers erscheint so längs der Bahn, die der Fokuspunkt 9 abfährt, ein leuchtendes Objekt, das aus den selbstleuchtenden Plasmapunkten, die in den Fokuspunkten 9 gezündet werden, gebildet ist.

Während das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 nur aus Gründen der Veranschaulichung mit Durchlichthologrammen 6 beschrieben und dargestellt ist, ist ein Aufbau mit beständigeren Refle­ xionshologrammen, d. h. Oberflächenhologrammen, bevorzugt. Ein bevorzugtes Trägermaterial hierfür ist Quarzglas.

Die Hologramme müssen nicht zwingend auf einer sich drehenden Scheibe angeordnet werden, sondern wahlweise ist es möglich, diese helixförmig auf einem Zylinder anzuordnen wie in Fig. 4 angedeutet. Der Zylinder wird unter Drehung vorgeschoben werden, um die unterschiedlichen Einzelhologramme sukzessive in den Strahl 5 zu bewegen. Wahlweise wird der Strahl über den sich drehenden Zylinder verschoben. Wenn auch zur pausen­ freien Darstellung eines vorgegebenen Bildes oder einer vor­ gegebenen Bildsequenz die Rückbewegung des Drehzylinders ge­ nutzt werden soll, können die Einzelhologramme auf zwei ge­ trennten Schraubenlinien, jeweils eine für Vor- und Rückbewe­ gung angeordnet werden, wie dies in Fig. 5 anhand der strichpunktiert und gestrichelt gezeichneten Schraubenlinien veranschaulicht ist. Diese beiden Schraubenlinien können wahlweise dieselbe Drehrichtung aufweisen oder unterschiedli­ chen Drehsinn besitzen, wie in Fig. 4a beziehungsweise 4b jeweils veranschaulicht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben.

Nach Fig. 2 umfaßt die wiederum allgemein mit 1 bezeichnete Anzeigenvorrichtung 1 einen gepulsten Laser 2, der einen Strahl 3 emittiert, welcher in einer Optik 4 aufgeweitet und als Strahl 5 in ein Fokussiermittel 20 geführt wird.

Das Fokussiermittel umfaßt einen ersten Parabelspiegel 21, der den Strahl in einer ersten Richtung quer zur Ausbreitung fokussiert und einen zweiten Parabelspiegel 22, der den Strahl in der zweiten Richtung quer zur Ausbreitung fokus­ siert. Damit eine Fokussierung sowohl mit dem Spiegel 21 als auch dem Spiegel 22 erreicht wird, umfaßt das Fokusmittel weiter in per se bekannter Weise einen Strahlteiler 2 und Lambda/4 Plättchen 24a und 24b. Die Spiegel 21 und 22 sind auf sog. Piezo-Bender-Elementen als Vorderflächenspiegel auf­ gebracht. An die Piezo-Bender-Elemente kann aus einer geeig­ neten Spannungssteuerung eine Spannung angelegt werden, die die Krümmung des Spiegels und damit seine jeweilige Brennwei­ te verändert. Der aus dem Strahlteiler 23 konvergent austre­ tende Strahl wird - gegebenenfalls nach Durchtritt durch eine weitere Sammellinse mit vorzugsweise fester Brennweite (nicht gezeigt) zur Erhöhung der Entfernung des Fokuspunktes und so­ mit zur Vergrößerung des Bildes - auf einen ersten, mecha­ nisch um eine erste Achse schwenkbaren Spiegel 25 und dann auf einen zweiten schwenkbaren Spiegel 26 gerichtet, der um eine zur ersten Achse senkrechte zweite Achse schwenkbar ist. Hinter dem Spiegel 26 läuft das Strahlbündel frei in die At­ mosphäre zu seinem Fokuspunkt 9.

Die Piezoelemente der biegbaren Spiegel 21 und 22 sind ge­ steuert verstellbar, ebenso wie die Ausrichtung der Spiegel 25 und 26 durch eine Steuerung verändert werden kann. Die Steuerung (nicht gezeigt) ist so gebildet, daß der Fokuspunkt 9 längs einer frei vorgebbaren Trajektorie im Raum bewegt werden kann.

Im Betrieb werden die Bewegungen und Verstellungen der Spie­ gel 21, 22, 25 und 26 durch die Steuerung aufeinander abge­ stimmt und der NdYag-Laser 2 mit hinreichend hoher Repetiti­ onsrate gepulst. So wird die Trajektorie längs der Fokuspunk­ te 9 als Leuchtbahn sichtbar und ein hell leuchtendes und so­ mit weithin sichtbares autostereoskopisches Bild in volume­ trischer Darstellung erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, daß Plasmaleuchten aus einem großen Raumwinkelbereich beobachtet werden kann und sehr hell ist.

Die Vorrichtung von Fig. 2 kann aber nicht ausschließlich monochromatische Bilder unter Ausnutzung des Plasmaselbst­ leuchtens erzeugen. Vielmehr sind drei weitere gepulste Laser 27a, 27b, 27c vorgesehen, die Laserstrahlen roter, grüner be­ ziehungsweise blauer Wellenlänge emittieren. Die Strahlen der Laser 27 werden über Strahlteiler 28a, 28b, 28c und 28d kol­ linear in den Strahl 3 eingestrahlt, mit diesem zusammen in der Aufweiteoptik 4 aufgeweitet und an den Spiegeln umge­ lenkt, bzw. fokussiert. Da die Fokussierung an Spiegeln er­ folgt, sind keine chromatischen Aberrationen zu befürchten. Die Strahlparameter wie Divergenz und Strahltaille von Far­ blasern und NdYag-Laser sind einander angepaßt.

Die Laser 27 sind gütegesteuert, wobei per se im Stand der Technik bekannte Güteschalter (Q-Switches) in den Laser-Re­ sonatoren der Laser 27 angeordnet sind. Die Güteschalter in den Laserresonatoren der Laser 27 sind über ein Synchronisa­ tionsmittel 29 an die Pulserzeugeung des Ndyag-Lasers 2 ge­ koppelt.

Im Betrieb zur farbigen Wiedergabe durch die Vorrichtung von Fig. 2 wird wiederum der Fokus längs einer erforderlichen Trajektorie verschoben und die Emission aus den Farblasern 27a bis 27c so gesteuert, daß nach oder bei Zünden des Plas­ mafunkens 9 an diesem das farbige Licht in gewünschter Inten­ sität zur Erzielung eines vorgegebenen Farbeindruckes zum Be­ obachter gestreut wird.

Es sei erwähnt, daß die vorgeschlagene, aber nicht gezeigte Sammellinse hinter dem Strahlteiler entsprechend auch mit bzw. in anderen Richtmitteln vorteilhaft einsetzbar ist, wie in Fig. 1 durch Linse 6c veranschaulicht.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Fokussierungsoptik. Diese umfaßt eine Zylinderlinse 30 anstelle eines verbiegba­ ren Spiegels oder von Hologrammen. Die Zylinderlinse ist im Strahlengang eines NdYag-Lasers 2 hinter der Aufweiteoptik 4 angeordnet. Die Zylinderlinse 30 weist eine Dreheinheit auf, um sie gegen den Strahl zu kippen, wobei sich die effektive Brennweite ändert, wie durch Fig. 3b angedeutet. Da sich bei einer derartigen Fokussierung zugleich ein Strahlversatz ein­ stellt, ist eine dünne Platte 31 vorgesehen, die synchron so mit der Zylinderlinse 30 verschwenkt wird, daß der Strahlver­ satz kompensiert wird.

Es versteht sich, daß die unterschiedlichen Fokussierungs- und Richtmittel miteinander kombinierbar sind.

Es ist vorstellbar, auf der Scheibe 7 von Fig. 1 nicht eine Vielzahl von Einzelhologrammen anzuordnen, die sowohl für ei­ ne seitliche Ablenkung als auch für eine Variation der räum­ lichen Entfernung des Fokuspunktes von der Scheibe sorgen, sondern nur mit den auf der Scheibe 7 angeordneten Hologram­ men eine schrittweise Verlagerung der Fokusentfernung zu er­ zielen und dann eine Umlenkung beispielsweise mit mechanisch gesteuerten Spiegeln wie bei 25 und 26 in Fig. 2 angedeutet, vorzunehmen.

Weiter ist auch denkbar, anstelle einer drehbaren Scheibe 7 mit Einzelhologrammen einen akustooptischen Modulator vor zu­ sehen, dem durch entsprechende akustische Anregung ein sol­ ches Dichtemuster aufgeprägt wird, mit welchem eine gewünsch­ te Strahlablenkung beziehungsweise Fokussierung erreicht wird. Derartige akustooptische Modulatoren mit zugeordneten Drehspiegeln sind in der Technik per se bekannt. Weiter ist ohne weiteres möglich, anstelle einer Drehscheibe, auf wel­ cher Einzelhologramme nur im Umfang angeordnet sind, eine Bildsequenz auf einer Spirale vorzusehen.

Während es bevorzugt ist, die Spiegel der mechanischen Stel­ lelemente so zu verstellen, daß eine vorgegebene Trajektorie abgefahren wird, ist es auch möglich, wie bei der zeilenwei­ sen Abtastung eines Fernsehbildes jedes einzelne Voxel im Ab­ bildungsraum sukzessive anzusteuern und nur dort hinein zu fokussieren, wo ein Leuchten gewünscht wird. Allerdings ist die letztgenannte Art der Bilderzeugung aufgrund der be­ schränkten mechanischen Stellgeschwindigkeiten nicht bevor­ zugt.

Beschrieben wird also eine Vorrichtung zur volumetrischen Wiedergabe eines dreidimensionalen Gebildes in autostereosko­ pischer Darstellung durch gepulste Plasmaerzeugung in natür­ licher Atmosphäre mittels eines einzelnen fokussierten Laser­ strahles. Es wird hierzu vorgeschlagen, daß bei einer Anzei­ gevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Abbil­ dung mit einem Lichtsender und einem Richtmittel, mittels Lichteinstrahlung sukzessiver ausgewählte Volumenelemente ei­ nes nichtlinearen Mediums zum Leuchten zu bringen, der Licht­ sender zum Aussenden eines auf geweiteten Lichtbündels ausge­ bildet ist, das Richtmittel zur selektiven Fokussierung des Lichtbündels in das jeweils ausgewählte Volumenelement ausge­ bildet ist und der Lichtsender eine solche Intensität be­ sitzt, daß das Medium nur am Fokus des Lichtbündels zum Leuchten gebracht wird.

Claims (32)

1. Anzeigevorrichtung zur Erzeugung einer dreidimensionalen Abbildung mit einem Lichtsender und einem Richtmittel, um mittels gerichteter Lichteinstrahlung sukzessive ausge­ wählte Volumenelemente eines Mediums zum Leuchten zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender zum Aussenden eines aufgeweiteten Licht­ bündels ausgebildet und das Richtmittel zur selektiven Fokussierung des auf geweiteten Lichtbündels in das je­ weils ausgewählte Volumenelement ausgebildet sind und worin der Lichtsender zumindest temporär eine solche In­ tensität besitzt, daß nur am Fokus des Lichtbündels ein Leuchten erzeugt wird.

2. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch mit einem das Licht des eingestrahlten Lichtbündels zu Licht sichtbarer Wellenlänge nichtlinear mischenden, insbeson­ dere frequenzverdoppelnden Medium, worin die Intensität des Lichtsenders so hoch ist, daß nur vom im Medium lie­ genden Fokusbereich gemischtes, insbesondere frequenzver­ doppeltes Licht deutlich wahrnehmbarer Intensität emit­ tiert wird.

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2 zur Anzeige eines mo­ nochromatischen Bildes, worin das Medium ein frequenzver­ doppelndes Medium ist und der Lichtsender und das Richt­ mittel zur Einstrahlung allenfalls eines einzigen in das Medium fokussierten Lichtbündels für jeden zu einem gege­ benen Zeitpunkt gleichzeitig zum Leuchten gebrachten Punkt ausgebildet sind.

4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, worin zur Erzeugung eines farbigen Bildes das Medium ein frequenzverdoppeln­ des Medium ist und der Lichtsender und das Richtmittel zur Aussendung und Einstrahlung allenfalls eines einzigen in das Medium fokussierten Lichtbündels je Grundfarbe für jeden zu einem gegebenen Zeitpunkt zum Leuchten gebrach­ ten Punkt ausgebildet ist.

5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, worin das Medium ein Licht nichtlinear mischendes Medium ist und Lichtsender und Richtmittel dazu ausgebildet sind, ein aus Licht­ strahlen wenigstens zweier unterschiedlicher Wellenlängen allgemein kollinear zusammengesetztes Lichtbündel in das Medium zu fokussieren.

6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, worin zur Erzeugung eines monochromatischen Bildes Lichtsender und Richtmit­ tel dazu ausgebildet sind, ein aus nur zwei unterschied­ lichen Wellenlängen zusammengesetztes Lichtbündel in das Medium zu fokusieren.

7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, worin der Lichtsender und das Richtmittel für das Fokussieren des Lichtbündels in Gas ausgebildet sind und der Lichtsender eine solche Intensität besitzt, daß sich im Fokus des Lichtbündels zumindest zeitweilig ein Plasma bildet.

8. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wor­ in der Lichtsender und das Richtmittel für das Fokussie­ ren des Lichtbündels in natürliche Luft, insbesondere die freie Atmosphäre ausgebildet sind.

9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin das Me­ dium Umgebungsdruck besitzt.

10. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wor­ in der Lichtsender Licht mit einer solchen Intensität ausstrahlt, daß in einer vorbestimmten Beobachtungsent­ fernung ein Selbstleuchten des Plasmas deutlich wahrnehm­ bar ist.

11. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, worin Lichtsender und/oder Richtmittel dazu ausgebildet sind, das wahrgenommene Leuchten des Mediums am Fokus­ punkt durch Streuung wenigstens eines vom zur Plasmabil­ dung fokussierten Lichtstrahl verschiedenen Lichtstrahles zu erzeugen.

12. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin der Lichtsender zur Aussendung von Lichtpul­ sen, insbesondere mit einer wenigstens im kHertz-Be­ reich liegenden Repetitionsrate ausgebildet ist.

13. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wor­ in der Lichtsender einen gepulsten Laser, insbesondere NdYag-Laser, mit hoher Spitzenleistung umfaßt.

14. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch zur Anzeige einer farbigen Abbildung, in natürlicher Atmosphä­ re, worin der Lichtsender einen ersten, gepulsten (Lei­ stungs-)Laser zur Erzeugung eines Plasmafunkens umfaßt und wenigstens einen (Farb-)Laser anderer Wellenlänge, vorzugsweise genau einen Laser für jede Grundfarbe um­ faßt, worin der oder jeder Farblaser eine solche Intensi­ tät besitzt, daß der wahrgenommene Farbeindruck das vom Leistungslaser bewirkte Plasmaleuchten überstrahlt, be­ vorzugt mit einem Mittel zur Intensitätseinstellung für den oder jeden Farblaser.

15. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, mit einem Pulssynchronisationsmittel für wenigstens einen, vorzugsweise jeden Farblaser zur Synchronisation der da­ von abgegebenen Lichtpulse auf jene des Leistungslasers, wobei vorzugsweise die Farblaser derart ausgebildet sind, daß deren Pulse zumindest so lange wie jene des Lei­ stungslasers und bevorzugt nicht wesentlich länger als die Plasmarelaxationszeit andauern.

16. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, worin zwischen Lichtsender und Richtmittel ein Strahlkop­ pelmittel vorgesehen ist, um die aufgeweiteten Laser­ strahlen von Leistungs- und Farblasern vor der Fokussie­ rung in das Volumenelement kollinear zusammenzuführen.

17. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin das Richtmittel wenigstens einen, vorzugsweise mehrere mechanische, insbesondere über Schrittmotoren oder Galvostellelemente verstellbare Spiegel zur Richtung des Lichtbündels in die ausgewählten Volumenelemente um­ faßt.

18. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin das Richtmittel wenigstens einen mechanisch verstellbaren Spiegel zur wahlweisen Fokussierung des Lichtbündels in in unterschiedliche optische Weglängen vom Spiegel entfernt liegende Volumenelementen umfaßt.

19. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wor­ in der Fokussierspiegel ein insbesondere mittels eines Piezoelementes verbiegbarer Spiegel, insbesondere Para­ belspiegel ist.

20. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, worin ein erster verbiegbarer Fokussierspiegel zur Fokus­ sierung des Strahlenbündels in einer ersten Strahlquer­ schnittsrichtung und ein zweiter Fokussierspiegel zur Fo­ kussierung des Strahlenbündels in einer davon verschiede­ nen zweiten Strahlquerschnittsrichtung vorgesehen ist.

21. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin das Richtmittel zumindest eine Linse mit elek­ trooptisch verstellbarer Brennweite umfaßt.

22. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin das Richtmittel wenigstens eine allgemein zy­ lindrische Linse mit einem Stellelement zur Veränderung der effektiven Brennweite durch Änderung der Linsennei­ gung gegen den Strahl, sowie vorzugsweise ein Strahlver­ satzkompensationselement umfaßt.

23. Anzeigevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, worin das Richtmittel ein Hologrammittel zur Verän­ derung von Strahlrichtung und/oder Fokuslage umfaßt.

24. Anzeigevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wor­ in das Hologrammittel einen akustooptischen Modulator mit einer Steuerung zur zeitlich variablen Einstellung von Strahlrichtung und/oder Fokuslage umfaßt.

25. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 23, worin das Hologram­ mittel eine Vielzahl von Einzelhologrammen zur Fokusie­ rung des Lichtbündels in unterschiedliche Entfernungen umfaßt und ein Steuermittel zur Relativbewegung von Ein­ zelhologramm und Strahlbündel.

26. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 25, worin das Holo­ grammittel eine Vielzahl von Einzelhologrammen zur Bewe­ gung des Leuchtpunktes längs einer vorbestimmten Bahn um­ faßt.

27. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 23, 25 oder 26, worin das Hologrammittel Oberflächenhologramme um­ faßt.

28. Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes, worin Licht emittiert und sukzessive in ausgewählte Volu­ menelemente gerichtet wird, um dort ein Leuchten zu er­ zeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Licht als einzelnes aufgeweitetes Lichtbündel in das je­ weilige Volumen fokussiert und die Intensität des Licht­ strahles so hoch gewählt wird, daß nur an dessen Fokus ein deutlich wahrnehmbares Leuchten erzeugt wird.

29. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, worin der einzelne aufgeweitete Lichtstrahl in ein Gas, vorzugsweise Luft, fokussiert und am Fokus ein selbst­ leuchtendes Plasma gebildet wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, worin Licht einer ersten Wel­ lenlänge gerichtet in das Medium fokussiert wird und Licht wenigstens einer zweiten Wellenlänge am Plasma ge­ streut wird, um das Plasmaselbstleuchten zu überstrahlen und so eine bestimmte Farbwirkung zu erzielen.

31. Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, worin das Licht erster und zweiter Wellenlänge gepulst wird, der Lichtpuls mit der zweiten Wellenlänge mit dem ersten Lichtpuls synchronisiert wird und zumindest genau­ so lange dauert wie jener mit der ersten Wellenlänge.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 oder 31, worin das Licht erster Wellenlänge und der wenigstens einen oder jeder weiteren Wellenlänge kollinear in das Volumen ein­ gestrahlt wird.