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Tageslichttaugliche Aufprojektionsschirme auf Basis von Reflexions-Volumenhologrammen

von Spiegel, Wolff :
Tageslichttaugliche Aufprojektionsschirme auf Basis von Reflexions-Volumenhologrammen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Tageslichttaugliche Aufprojektionsschirme auf Basis von Reflexions-Volumenhologrammen
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung holographischer Aufprojektionsschirme auf der Basis von Reflexionsvolumenhologrammen. Diese nutzen die Winkel- und Wellenlängenselektivität der Hologramme, um eine Trennung von Stör- und Nutzlicht bei der Bildprojektion zu erreichen und so eine brillante und kontrastreiche Darstellung auch bei Tageslichtbedingungen zu erreichen. Nach der Vorstellung der Grundlagen und Funktionsweise dieser Projektionsflächen werden die Einsatzbedingungen festgelegt, für die die Entwicklung ausgelegt wird. Dies ist entscheidend, da diese Schirme im Gegensatz zu konventionellen Projektionsflächen gezielt für bestimmte Anwendungsszenarien erzeugt werden. Anschliessend werden mögliche Belichtungstechniken diskutiert. Da der Anspruch an die Belichtung bei konventionellen Methoden mit zunehmender Fläche deutlich zunimmt, und grossflächige Projektionsschirme (von mehreren qm) erzeugt werden sollen, sind Scanverfahren von besonderem Interesse. Diese belichten die Gesamtfläche stückweise, senken so die erforderliche Belichtungsleistung bzw. verkürzen die Belichtungszeit, innerhalb derer die Belichtungsanordnung im sub-Wellenlängenbereich stabil zu halten ist. Bei einigen Techniken sind die Anforderungen unabhängig von der zu belichtenden Gesamtfläche. Es wird das für diese Arbeit geeignetste Verfahren ausgewählt, wobei für anschliessende Untersuchungen oder die Produktion ggf. andere Verfahren zu bevorzugen sind. Speziell für das ausgewählte Verfahren, jedoch mit weiterer Anwendbarkeit, wird eine Analyse der Bedingungen durchgeführt, die für die Belichtung von Hologrammen mit hoher Beugungseffizienz einzuhalten sind. Obwohl ähnliche Ansätze existieren, gibt es nach Kenntnis des Verfassers keine Ausführung, die die Vollständigkeit dieser Ergebnisse erreicht. Es resultieren klare Vorgaben für wesentliche Belichtungsparameter, bei deren Einhaltung auch die wesentlichen Nachteile, die Scanverfahren normalerweise aufweisen, vermieden werden können. Nachdem weitere Faktoren, die für die erfolgreiche Belichtung holographischer Projektionsschirme von Bedeutung sind, diskutiert wurden, folgt eine Beschreibung des realisierten Belichtungsaufbaus, sowie verschiedener Messmethoden, die zur Bestimmung wesentlicher Eigenschaften der erzeugten Hologramme umgesetzt wurden. So lassen sich Beugungseffizienz, Zentralwellenlänge und Halbwertsbreite des Beugungspeaks, sowie die Lichtstreuung gut durch ein Transmissionsspektrum ermitteln, die lokale Abstrahlcharakteristik kann mit einer hierfür entwickelten Optik in einem Schritt erfasst werden und die Homogenitätseigenschaften der erzeugten Hologramme können durch Bildanalyse bestimmt werden. Des Weiteren wird die Simulation holographischer Schichten, in der von diffusen Strukturen abgestrahlte Wellenfelder aufgezeichnet sind, beschrieben. Viele Verfahren, die in der Literatur zur Berechnung der Wirkung volumenholographischer Schichten auf einfallendes Licht beschrieben werden, sind auf einfache periodische Strukturen begrenzt. Dies erscheint nicht geeignet für die Beschreibung von Diffusorhologrammen. Es wird daher ein Simulationswerkzeug beschrieben, das erstellt wurde, um Fragestellungen der Volumenholographie insbesondere von Diffusorstrukturen numerisch behandeln zu können. Dazu wird ein Modell volumenholographischer Schichten, in die Diffusorwellenfelder aufgezeichnet wurden, mit einem FDFD-basierten Lösungsverfahren der elektromagnetischen Wellengleichung kombiniert, sowie einigen Ergänzungen zur Bestimmung der Abstrahlcharakteristik ins Fernfeld. Damit lassen sich nicht nur manche Bedingungen besser kontrollieren, als im Experiment, es entsteht auch ein klareres Bild von den Vorgängen in der holographischen Schicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis covers the development of holographic front projection screens based on thick reflection holograms. The angular and wavelength selectivity of these holograms are used to separate the projector light from the ambient light and to allow crisp and high contrast projection, even under daylight conditions. After an introduction covering some basics and the screen principle of operation, a typical scene in which the screens are to be applied, is defined. This is necessary, because these screens are as opposed to conventional ones generated for a specific application scenario. Several exposure techniques are later discussed. Since exposure using conventional methods gets more and more demanding with increasing screen area and large screens (of several sqm) are desired, scanning techniques are particularly interesting. Using these methods the complete screen is exposed piecewise. This decreases the required exposure power and/or the duration, in which the exposure setup has to stable on a subwavelength scale. With some of the techniques, these requirements are independent of the total screen area. Several techniques are presented and compared to each other. The most suitable one for the work on which this thesis is based, is then selected. Other methods may be preferable for additional investigations or commercial production. An analysis pertained to, but not limited to, the selected method is then presented. It describes the conditions that have to be met for the exposure of highly efficient holograms. Although reports about similar approaches can be found in publications, to the authors knowledge no further description with such complete results exists. This analysis results in clear guidelines for the important parameters of the exposure process. When these are met, the drawbacks that usually come when using scanning techniques, can be avoided. After discussing several other aspects that are important for the successful generation of holographic projection screens, the exposure setup and some measurement techniques, that were realized to aquire some important properties of the generated holograms, are presented. Information about diffraction efficiency, central wavelength, spectral bandwidth and scattering can be extracted from transmission spectra. An optical system was designed for acquiring the angular range, in which the light is emitted by a small area of the screen, in a single step. Some image processing was done to determine the homogeneity of the sample screens brightness. The next topic is a numerical simulation of holographic layers, into which waves that, are emitted by diffuse structures, are recorded. Most methods of calculating the effects of thick holographic layers on incident light, described in literature, are limited to simple periodic structures. These do not appear to be suitable for analysis of diffuser holograms. A simulation tool that was created to give numeric answers to questions on thick holograms, especially of diffuse structures is therefore described. A model of a thick holographic layer, in which waves emitted by a diffuser are recorded, is combined with a FDFD-based solver of the electromagnetic wave equation and some additional algorithms to determine the light emission into the far field. This tool not only allows easier control of several conditions than is possible in the experiments, but it also gives a clearer picture of the process involved in the holographic layer. The thesis closes with a summary and some suggestions as to how the work could be continued.English
Uncontrolled Keywords: aufprojektionsschirm
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
aufprojektionsschirmGerman
front projection screenEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000799
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7999
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Tschudi, Prof. Dr. Theo and Walther, Prof. Dr. Thomas
Advisors: Tschudi, Prof. Dr. Theo
Refereed: 4 December 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/799
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