Optimierungsmethodik für Volumen-Transmissionshologramme mit LED-Beleuchtung

Karthaus, Daniela

Computergenerierte Volumen-Transmissionshologramme bieten ein großes Potenzial für den Einsatz als lichtformende Elemente im automobilen Scheinwerfer. Die Rahmenbedingungen sind jedoch anders als in den klassischen Anwendungsgebieten der Holographie und bringen neue Anforderungen an die Berechnung der Hologramme mit sich. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Rekonstruktionslichtquelle. Statt monochromatischer Laser sind aktuell weiße LEDs die typischen Lichtquellen im Automobilscheinwerfer. Deren spektrale Eigenschaften führen zu Dispersionseffekten und die Divergenz des LED-Lichts resultiert in einer Unschärfe des rekonstruierten Bildes. In dieser Arbeit wird eine Optimierungsmethodik vorgestellt, welche die Anpassung von Volumen-Transmissionshologrammen an die spektralen Eigenschaften und die Abstrahlcharakteristik von LEDs ermöglicht. Diese Methodik beinhaltet neben einem Designprozess zur Berechnung optimierter Hologramminformationen auch einen Simulationsansatz zur realitätsnahen Visualisierung des rekonstruierten Bildes. Sowohl bei der Berechnung als auch bei der Simulation werden LED-Parameter wie Wellenlänge, Divergenzwinkel und Wellenfrontform berücksichtigt. Die Beschreibung und experimentelle Ermittlung einer LED-spezifischen Wellenfront ist dabei eine besondere Herausforderung und wird in dieser Arbeit entsprechend diskutiert. Zur Überprüfung des Designprozesses und der Simulation werden die berechneten Hologramme in ein Photopolymer belichtet. Der dafür notwendige Belichtungsprozess wird im Rahmen der Arbeit im Labor umgesetzt und die Belichtungsparameter im Design und in der Simulation berücksichtigt. Durch die spezifisch aufeinander abgestimmten Schritte von Design über Belichtung bis zur Simulation entsteht eine ganzheitliche Methodik für die Optimierung und Überprüfung der Hologramme. In sechs experimentellen Testreihen werden nicht optimierte und optimierte Hologramme mit verschiedenen Lichtquellen beleuchtet und die Rekonstruktionen analysiert. Die Ergebnisse belegen die erfolgreiche Kompensation und Visualisierung der oben genannten Effekte durch LED-Beleuchtung bei der Rekonstruktion. Zudem werden Einflüsse auf die Rekonstruktion durch den Belichtungsprozess und das holographische Material aufgezeigt und mögliche Lösungen für eine Weißlicht-Rekonstruktion mit Transmissionshologrammen aufgezeigt.

Computer-generated volume transmission holograms show a great potential to be used as light-shaping elements in automotive headlamps. However, the conditions in headlamp systems are different from those in classical application areas of holography. These conditions cause new requirements for the calculation of holograms. An essential aspect is the reconstruction light source. Instead of monochromatic lasers, the typical light sources in automotive headlamps are white LEDs. Their spectral properties lead to dispersion effects and the divergence of the LED light results in a blurred reconstructed image. In this thesis an optimization methodology is presented, which allows the adaptation of volume transmission holograms to the spectral characteristics and the emission characteristics of LEDs. This method includes a design process for calculating optimized hologram information and a simulation approach for realistic visualization of the reconstructed image. Both, the design and the simulation have to take into account LED parameters like wavelength, divergence angle and wavefront shape. Especially the description and the measurement of LED-specific wavefronts are particular challenges and hence discussed in this thesis. The calculated holograms are exposed in a photopolymer to verify the design process and the simulation. As a part of this research project, the necessary exposure process is implemented in the laboratory and the exposure parameters are considered in the design and in the simulation. A holistic methodology for optimizing and verification of the holograms is realized by the synchronization of parameters from the design to the exposure process and finally to the simulation. Within six experimental test series, non-optimized and optimized holograms are illuminated with different light sources and the reconstructions are analysed. The results prove the successful compensation and visualization of the mentioned effects of LED illumination on the reconstruction. In addition, influences on the reconstruction by the exposure process and by the holographic material are shown. Furthermore, possible solutions for a successful white light reconstruction with transmission holograms are proposed.

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Karthaus, Daniela: Optimierungsmethodik für Volumen-Transmissionshologramme mit LED-Beleuchtung. Ilmenau 2019.

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