DE602005005836T2 - Laserprojektionssystem - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserprojektionssystem mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls, Mitteln zum Projizieren des Laserstrahls auf eine Oberfläche sowie Speckle-Reduzierungsmittel zur Reduzierung von Speckle-Artefakten.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Ein System dieser Art ist in US, B1, 6 594 090 beschrieben. Die Speckle-Reduzierungsmittel dieses Systems weisen einen beweglichen Diffusor auf, der z. B. von einem elektrischen Motor angesteuert wird. Der Diffusor reduziert die Kohärenz des Laserstrahls und somit Speckle-Artefakten, die sonst auftreten, wenn das Laserlicht auf eine raue Oberfläche, wie z. B. Papier, auffällt.
  • Das beschriebene System ist aufgrund der in den Speckle-Reduzierungsmitteln erforderlichen, zusätzlichen, beweglichen, mechanischen Teile jedoch recht kompliziert und kostenaufwändig.
  • WO 2005/006720 , welches gemäß Artikel 54(3)EPÜ einen Teil des Standes der Technik bildet, offenbart ein Laserprojektionssystem mit einer Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls, Mitteln zum Projizieren des Laserstrahls auf eine Oberfläche sowie Mitteln mit einer transparenten Zelle, die in dem Weg des Laserstrahls angeordnet ist, wobei die Zelle eine erste und zweite unmischbare Flüssigkeit mit verschiedenen Brechungsindizes enthält und Steuermittel zur Steuerung der Positionen der ersten und zweiten Flüssigkeit in der Zelle aufweist, um die optische Weglänge des Laserstrahls bei Ausbreitung durch die Zelle zu variieren.
  • US 2001/007510 offenbart ein Laserprojektionssystem mit Speckle-Reduzierungsmitteln mit einer transparenten, Flüssigkeit enthaltenden Zelle, die in dem Laserstrahlengang angeordnet ist.
  • US 5 272 473 offenbart ein Verfahren zur Speckle-Reduzierung, welches das Variieren der optischen Weglängen von kohärenten Lichtstrahlen umfasst.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt daher als Aufgabe zugrunde, ein weniger kompliziertes Laserprojektionssystem vorzusehen, welches noch immer imstande ist, störende Speckle-Artefakten wesentlich zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Laserprojektionssystem nach Anspruch 1 erfüllt.
  • Genauer gesagt, die Erfindung bezieht sich auf ein Laserprojektionssystem mit einer Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls, Mitteln zum Projizieren des Laserstrahls auf eine Oberfläche und Speckle-Reduzierungsmitteln zur Reduzierung von Speckle-Artefakten, wobei die Speckle-Reduzierungsmittel eine transparente Zelle aufweisen, die in dem Weg des Laserstrahls angeordnet ist, wobei die Zelle eine erste und zweite unmischbare Flüssigkeit mit verschiedenen Brechungsindizes enthält und Steuermittel zur Steuerung der Positionen der ersten und zweiten Flüssigkeit in der Zelle aufweist, um die optische Weglänge des Laserstrahls bei Ausbreitung durch die Zelle zu variieren.
  • Bei dieser Anordnung kann die Kohärenz des Laserstrahls ohne die Anordnung von mechanischen, beweglichen Teilen zeitlich verändert werden, wodurch ein weniger kompliziertes und kostenaufwändiges System vorgesehen wird, welches imstande ist, eine ausreichende Speckle-Reduzierung zu erreichen. Ein solches System ist auch weniger voluminös als ein System mit einem beweglichen Diffusor und verbraucht weniger Energie. Somit kann ein kleines System mit niedriger Energie vorgesehen werden.
  • Vorzugsweise steuern die Steuermittel die Positionen der ersten und zweiten Flüssigkeit aufgrund eines Electrowetting-(Elektrobenetzungs-)Effekts. Die Speckle-Reduzierungsmittel können somit eine Electrowetting-Linse aufweisen. Die Ablenkeigenschaften der Linse müssen nicht in Anspruch genommen werden, sondern lediglich die Fähigkeit, die optische Weglänge, welche klar definiert werden kann, zu variieren.
  • Die Electrowetting-Linse wird vorzugsweise mit einem Pseudozufallssteuersignal versehen. Hierdurch wird die Gefahr, dass die Speckle-Reduzierung selbst in einem Bild sichtbar wird, eliminiert.
  • Vorzugsweise variiert die Weglänge mehr als λ/4, wobei λ die Wellenlänge des von der Lichtquelle erzeugten Lichts darstellt. Auf diese Weise wird eine geeignete Variation zur Reduzierung der visuellen Störung von Speckle vorgesehen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 – eine schematische Darstellung eines Laserprojektionssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 – eine Electrowetting-Linse in einem ersten Zustand;
  • 3 – die Electrowetting-Linse in einem zweiten Zustand.
  • BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserprojektionssystem mit Mitteln zur zeitlichen Reduzierung der Kohärenz eines Laserlichtstrahls, um störende Specklemuster in einem von dem System erzeugten Bild zu reduzieren.
  • Speckle ist ein Phänomen, welches auftritt, wenn ein stark kohärenter Lichtstrahl, wie z. B. ein Laserstrahl, von einer Oberfläche mit zufälligen Oberflächeneigenschaften, wie z. B. Papier, Stoff oder einer angemalten Wand, gestreut wird. Verschiedene Teile des gestreuten Lichts addieren sich aufgrund der in Intensitätsmaxima und -minima resultierenden Interferenz zu einem stark schwankenden Lichtmuster.
  • 1 zeigt schematisch ein Laserprojektionssystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das System umfasst eine Laserlichtquelle 2 zur Erzeugung eines Laserstrahls 3 sowie Projektionsmittel 4 zum Projizieren des Laserstrahls auf eine Oberfläche 5.
  • Die Lichtquelle 2 kann durch jeden zur Beleuchtung geeigneten Laser, wie z. B. einen frequenzverdoppelten Nd-YAG-Laser, einen Argonionenlaser oder eine Laserdiode, dargestellt sein. Die Projektionsmittel 4 können z. B. einen beweglichen Spiegel aufweisen, um den Laserstrahl 3 entlang eines vorgegebenen Weges auf der Oberfläche 5 zu projizieren, womit ein Bild mit zum Beispiel Text erzeugt wird. In diesem Fall wird der Spiegel vorzugsweise mit einer Blende (nicht dargestellt) kombiniert, um den Laserlichtstrahl zu modulieren. Selbstverständlich können viele andere Arten von Projektionsmitteln, wie z. B. 'Sweeping'-Projektionsmittel, die ein Bild mit einer Anzahl von Zeilen ähnlich einem normalen Fernsehgerät erzeugen, sowie Projektionsmittel mit Flüssigkristallmodulatoren, eingesetzt werden. Im Allgemeinen ist jede Art von Projektionsmitteln gemäß der Erfindung denkbar, solange eine stark kohärente Lichtquelle verwendet wird und eine Reduzierung von Speckle-Artefakten erforderlich ist.
  • Wie in 1 dargestellt, wird die Oberfläche 5, auf die ein Bild projiziert wird, nicht als in dem Projektionssystem 1 enthalten betrachtet. Die Oberfläche 5 kann z. B. eine Innen- oder Außenwand eines Gebäudes, eines Papiers, einer Stofflage o. ä. sein.
  • Das Laserprojektionssystem weist weiterhin Speckle-Reduzierungsmittel 6, 7 zur Reduzierung der Kohärenz des Laserstrahls 3 auf, um Speckle-Artefakten zu verringern. Die Speckle-Reduzierungsmittel 6, 7 umfassen eine transparente Zelle 6 und Mittel 7, um die optische Weglänge des Laserstrahls 3 bei Ausbreiten durch die Zelle 6 zu steuern und zu variieren.
  • Variiert die optische Weglänge, wird die Kohärenz des Lichtstrahls – nicht räumlich, sondern zeitlich – reduziert. Das heißt, dass die Phase des Lichts mit der Zeit wesentlich variiert, aber dass der Lichtstrahl an jeder Stelle entlang seines Weges sofort kohärent ist. Dadurch wird ein Effekt vorgesehen, welcher dem Vibrieren der Projektionsfläche 5 in der Richtung ihrer Normalen entspricht.
  • Die optische Weglänge wird durch Verschieben der ersten und zweiten Flüssigkeit mit verschiedenen Brechungsindizes in der Zelle 6 variiert. Durch dieses Vorgehen kann bewirkt werden, dass die Strecke, welche der Laserstrahl 3 durch die Flüssigkeit mit dem höchsten Brechungsindex zurücklegt, variiert. Vorzugsweise wird das Verschieben unter Anwendung des bekannten Electrowetting-Effekts durchgeführt. Es wird nun ein Beispiel einer auf diese Weise vorgesehenen Zelle 6 beschrieben.
  • 2 zeigt eine Electrowetting-Linse in einem ersten Zustand. Die Linse bildet eine Zelle 6, welche einen Teil eines Speckle-Reduzierungsmittels darstellt. Electrowetting-Linsen sind an sich bekannt, s. WO, A1, 03/069380 .
  • Die Linse weist einen röhrenförmigen Seitenwandteil 10 sowie eine erste und zweite transparente Endwand 11, 12 auf, die zusammen eine zylindrischen, geschlossenen Raum definieren. Das Innere des Seitenwandteils 10 ist mit einer Elektrodenschicht 14, z. B. einer Metallschicht, bedeckt. Die Elektrodenschicht ist mit einer hydrophoben Isolationsschicht 15, wie z. B. TeflonTM AF1600 (DuPontTM), bedeckt.
  • Der geschlossene Raum ist mit einer ersten A und einer zweiten B Flüssigkeit gefüllt, welche miteinander nicht vermischbar sind und jeweils verschiedene Brechungsindizes nA und nB aufweisen. Die erste Flüssigkeit A ist elektrisch isolierend, z. B. ein Siliconöl oder ein Alkan. Die zweite Flüssigkeit B ist leitend und polar, z. B. eine Salzwasserlösung. Vorzugsweise weisen die erste und zweite Flüssigkeit gleiche Dichten auf.
  • In dem in 2 dargestellten Zustand wird zwischen der zweiten Flüssigkeit B und der Elektrode 14 eine niedrige oder Nullspannung angelegt. Die Zelle ist somit entspannt. In diesem Zustand bedeckt die zweite Flüssigkeit B, die polar ist, von der hoydrophoben Schicht 15 so wenig wie möglich, was heißt, dass sich die Zwischenschicht 17 zwischen der ersten A und der zweiten B Flüssigkeit zu der linken Endwand 11 hin auswölbt. Somit legt ein entlang des mittleren Weges 19 wandernder Laserstrahl die Strecke LA1 durch die erste Flüssigkeit A und die Strecke LB1 durch die zweite Flüssigkeit B zurück. Die gesamte optische Weglänge ist somit LA1·nA + LB1·nB. Es sei erwähnt, dass die Ablenkeigenschaften der Linse bei dieser Anwendung nicht eingesetzt werden.
  • 3 zeigt die Electrowetting-Linse in einem zweiten Zustand. In diesem Zustand wird zwischen der zweiten Flüssigkeit B und der Elektrode 14 eine zweite, höhere Spannung V2 angelegt. In diesem Schaltkreis fließt nur ein sehr kleiner Ableitstrom, da die hydrophobe Schicht 15 isolierend ist, jedoch zwingt die angelegte Spannung nun die zweite, leitende Flüssigkeit B, einen größeren Teil der hydrophoben Schicht 15 zu bedecken. Die Zwischenschicht 17 zwischen der ersten und zweiten Flüssigkeit biegt sich somit und beginnt, sich stattdessen zu der rechten Endwand 12 hin auszuwölben. Daher legt ein entlang des mittleren Weges 19 wandernder Laserstrahl nun die Strecke LA2 durch die erste Flüssigkeit A und die Strecke LB2 durch die zweite Flüssigkeit B zurück. Die gesamte optische Weglänge ist nun LA2·nA + LB2·nB.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die eine Zelle 6 bildende Linse von einer Steuereinheit 7 gesteuert, um zwischen dem Zustand von 2 und dem Zustand von 3 zu alternieren. Die Differenz Δd der optischen Weglänge ist somit (LA1·nA + LB1·nB) – (LA2·nA·LB2·nB). Selbstverständlich können mehr als zwei Zustände eingesetzt werden oder es kann bewirkt werden, dass die optische Weglänge kontinuierlich variiert. Vorzugsweise sollte Δd dann größer als λ/4 sein, wenn λ die Wellenlänge des Laserlichts darstellt. Um für das menschliche Auge sichtbar zu sein, muss ein Specklemuster über etwa 0,1 Sekunde konstant sein. Zur Reduzierung von störenden Specklemustern sollte die Weglänge bei einer höheren Frequenz als 10 Hz, vorzugsweise höher als 50 Hz, variiert werden. Vorzugsweise wird ein Pseudozufallssteuersignal verwendet, um die optische Weglänge zu steuern. Hierdurch wird ein Risiko, dass die Kohärenzreduzierung selbst für einen Benutzer sichtbar wird, verhindert. Die Amplitude, die Frequenz oder die Phase des Steuersignals oder mehrere derselben können Zufallseigenschaften aufweisen.
  • Zusammengefasst bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Laserprojektionssystem mit Mitteln zur Reduzierung der Kohärenz eines erzeugten Laserstrahls, um das Auftreten von störenden Speckle-Artefakten in von dem System erzeugten Bildern zu verringern. Kohärenz wird reduziert, indem dem Laserstrahl erlaubt wird, durch eine transparente Zelle mit einer ersten und zweiten ummischbaren Flüssigkeit mit verschiedenen Brechungsindizes hindurchzutreten. Diese Flüssigkeiten werden, vorzugsweise unter Anwendung einer Electrowetting-Technik, in der Zelle verschoben. Die Zelle kann somit als eine Electrowetting-Linse realisiert werden, welche mit einem Pseudozufallssteuersignal gesteuert wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie kann innerhalb des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche auf verschiedene Weisen geändert werden.

Claims (5)

  1. Laserprojektionssystem mit einer Lichtquelle (2) zur Erzeugung eines Laserstrahls (3), Mitteln (4) zum Projizieren des Laserstrahls (3) auf eine Oberfläche sowie Speckle-Reduzierungsmittel zur Reduzierung von Speckle-Artefakten, wobei die Speckle-Reduzierungsmittel (6, 7) eine transparente Zelle (6) aufweisen, die in dem Weg des Laserstrahls (3) angeordnet ist, wobei die Zelle (6) eine erste (A) Flüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle weiterhin eine zweite (B) Flüssigkeit enthält, wobei die Flüssigkeiten unmischbar sind und verschiedene Brechungsindizes aufweisen, und dass das Laserprojektionssystem weiterhin Steuermittel (7) zur Steuerung der Positionen der ersten (A) und zweiten (B) Flüssigkeit in der Zelle (6) aufweist, um die optische Weglänge des Laserstrahls (3) bei Ausbreitung durch die Zelle (6) zu variieren.
  2. Laserprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuermittel (7) die Positionen der ersten (A) und zweiten (B) Flüssigkeit aufgrund eines Electrowetting-Effekts steuern.
  3. Laserprojektionssystem nach Anspruch 2, wobei die Speckle-Reduzierungsmittel eine Electrowetting-Linse aufweisen.
  4. Laserprojektionssystem nach Anspruch 3, wobei die Electrowetting-Linse mit einem Pseudozufallssteuersignal versehen wird.
  5. Laserprojektionssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die optische Länge dann mehr als λ/4 variiert, wenn λ die Wellenlänge des von der Lichtquelle (2) erzeugten Lichts darstellt.
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