DE102004001389A1

DE102004001389A1 - Anordnung und Vorrichtung zur Minimierung von Randverfärbungen bei Videoprojektionen

Info

Publication number: DE102004001389A1
Application number: DE200410001389
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr. Biehlig
Original assignee: Jenoptik LDT GmbH
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-10
Also published as: DE102004001389B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche, welches aus Bildpunkten aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in ihrer Intensität veränderbaren Lichtquelle und einer Justageeinrichtung nach der Faser, enthaltend ein optisches Delay zur Symmetrisierung des Lichtstrahles, und einer sich anschließenden Ablenkeinrichtung. Die Anordnung und der Aufbau des optischen Delays bewirken eine Minimierung der Randverfärbungen bei Videoprojektionen. Zurückzuführen ist dieser Effekt auf die Vertauschung der Symmetrie der Lichtstrahlen. Das optische Delay besteht aus einem halbdurchlässigen Spiegel (91) und einer ungeraden Anzahl von mindestens drei 100%-Reflektionsspiegeln, die so zueinander angeordnet sind, dass am halbdurchlässigen Spiegel (91) die Vertauschung der Symmetrie erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche, welches aus Bildpunkten aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in ihrer Intensität veränderbaren Lichtquelle und einer Justageeinrichtung nach der Faser, enthaltend ein optisches Delay zur Symmetrisierung des Lichtstrahles, und einer sich anschließenden Ablenkeinrichtung, die das Lichtbündel auf die Projektionsfläche leitet. Das Justageverfahren und die Justagevorrichtung bewirken eine verbesserte Farbdarstellung und Helligkeitsabbildung insbesondere in den Randbereichen der Bildprojektion.
Zur Videoprojektion wird ein paralleles Lichtbündel, ein Lichtstrahl oder insbesondere Laserstrahl, jeweils mit der Bild- und Farbinformation von verschiedenen Bildpunkten eines Videobildes beaufschlagt. Bei allen bekannten Systemen für die Bilderzeugung mit Lasern wird mechanisch abgelenkt. Ablenksysteme sind sowohl aus der Laserdrucktechnik als auch aus der Laservideotechnik bekannt. Gemeinsam ist diesen Techniken, dass sie zur Darstellung eines Bildes eine Matrixanordnung von Bildpunkten in einem Raster mittels einem Bündel von Laserlichtstrahlen oder einem anderen parallelen Lichtbündel beleuchtet wird. Das Lichtbündel wird dabei über eine zu beleuchtende Fläche über mehrere Zeilen in der so genannten Zeilenrichtung gerastert. Diese zu beleuchtende Fläche kann beispielsweise eine geeignete Projektionsfläche, wie sie als großflächige Anzeige- und Projektionssysteme hoher Bildqualität im Multimediabereich bei Großveranstaltungen oder als Werbeträger zum Einsatz kommen, oder ein ebener Bildschirm oder auch sphärische Projektionen, wie beispielsweise in die Kuppel eines Planetariums oder eine Teilzylinderfläche, wie bei manchen Flugsimulatoren, sein.

Aus der DE 43 24 849 C2 ist ein Laservideosystem bekannt, bei dem zu jedem Zeitpunkt das Lichtbündel mit unterschiedlicher Farbe und Helligkeit moduliert wird. Während es aufgrund des Rasterns unterschiedliche Bildpunkte der Fläche beleuchtet, wird es mit dem für jeden beleuchteten Bildpunkt gewünschten Informationsinhalt ausgestattet. Im Ergebnis dessen entsteht auf der Fläche ein farbiges Bild. Ein Laservideosystem dieser Art erfordert eine außerordentlich hohe Ablenkgeschwindigkeit für das Lichtbündel aufgrund der großen Anzahl von Bildpunkten. Ein sich schnell drehender Polygonspiegel wird dabei für die Zeilenablenkung und ein Schwenkspiegel für die Bildablenkung verwendet. In der DE 43 24 849 C2 ist auch eine Transformationsoptik für Zeilen- und Bildablenkung der Art beschrieben, die das gerasterte Bild verändern und insbesondere vergrößern soll. Bei derartigen Transformationsoptiken hat sich herausgestellt, dass diese bei ebenen Bildschirmen ausschließlich dann bezüglich Farbfehler und Bildverzerrungen in geeigneter Weise korrigiert werden können, wenn die Bedingung eingehalten wird, dass der Tangens des Ausfallswinkels und der Tangens des Einfallswinkels zum Beleuchten jedes Bildpunkts in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Die Kompensation erfolgt hierbei durch eine entsprechende Transformationsoptik. Nicht korrigiert werden dabei jedoch ein gewisser Helligkeitsabfall und eine Randverfärbung des Bildes. In vielen Fällen kommt es zu rötlichen oder grünlichen Verfärbungen am linken bzw. rechten Bildrand und umgekehrt.

Die EP 1 031 866 A2 beschreibt eine Relaisoptik für ein Ablenksystem und ein entsprechendes Ablenksystem, die beide weniger aufwendig sein sollen und sich insbesondere auch bezüglich Farbfehler einfach optimieren lassen. Hierin wird eine Lösung beschrieben, die in einem einzigen optischen System eine Spiegelfläche vorsieht, die das von dem vorgegebenem Ort der ersten Scaneinrichtung durch das zuerst als erstes optische System wirksame einzige optische System fallende Lichtbündel mindestens einmal reflektiert und danach sich zurück zu dem dann als zweites optische System richtet. Statt zweier optischer Systeme wird nur ein einziges optisches System eingesetzt, welches einmal als erstes und danach als zweites optisches System wirkt. Diese Lösung ist derzeitig jedoch nicht realisierbar.

Aus verschiedenen Patent- und Literaturveröffentlichungen sind Lösungen zur Korrektur von Farbfehlern durch verschiedene Linsensysteme und der Farbkorrektur der Objektive bekannt. In der US 5,838,480 A wird eine Korrektur der chromatischen Abberation durch die dem Polygonspiegel nachgeordneten Zylinderlinsen und einem diffraktiven Element bewirkt.

JP 2001194608 A beschreibt ein Diffraktionselement in der Form eines Deckglases in Verbindung mit einem Schutzsystem, das vor dem Polygonspiegel angeordnet ist.

In JP 20011350116 A ist wiederum eine schräge Anordnung eines diffraktiven Elementes zwischen Polygonspiegel und Linsensystem beschrieben, welches chromatische Differenzen bei Vergrößerungen vermeiden will, ohne dass Geisterbilder oder Krümmungen bei der Zeilenabtastung auftreten.

Alle diese Lösungen verhindern jedoch nicht, dass es bei der eingangs beschriebenen Art von Laservideosystemen zu Helligkeitsabfall und am Rand zu einer Randverfärbung im Bild kommen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das aus dem Stand der Technik bekannte gattungsgemäße Verfahren bzw. das Videosystem so zu verbessern, dass Randverfärbungen minimiert und der Helligkeitsverlauf im projizierten Bild deutlich verbessert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung und eine Vorrichtung gelöst, bei der der Laserstrahl in sich bezüglich der horizontalen Bildebene nach der Faser, entsprechend den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 5, symmetriert wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein rotierender Polygonspiegel gestattet sehr schnelle Ablenkungen, wie sie zur Erzeugung der zeilenmäßigen Ablenkung bei einem Videobild benötigt werden.

Infolge der Beschneidung, des Laserstrahles an den Facettenkanten (121) des Polygonspiegels (12), auch Vignettierung genannt, wie sie in 3 dargestellt ist, kann es zu den bereits beschriebenen Wirkungen des Helligkeitsabfalls und der Randverfärbungen kommen.

Der Laserstrahl wird dabei im Abstand r zur Strahlachse beschnitten. Die Vignettierung bewirkt die oft auftretenden Abdunklungen der Bildecken, d.h. das bei korrekter Belichtung in der Bildmitte das Bild mit zunehmender Entfernung vom Mittelpunkt immer stärker unterbelichtet wird.

In vielen Fällen ist es so, dass links im Bild beispielweise eine rötliche Verfärbung und rechts eine grünliche Verfärbung oder umgekehrt auftritt. Manchmal zeigt das Bild links eine chromatisch korrekte Abbildung und rechts tritt eine sehr deutliche Verfärbung auf.

Erfindungsgemäß kann diese Fehler dadurch deutlich minimiert werden, indem eine Symmetrierung des/der Lichtstahles/- strahlen in der horizontalen Bldebene in der Weise vorgenommen wird, dass bezüglich der Einfallsebenen eine Vertauschung der Symmetrie erfolgt.

Diese Vertauschung der Symmetrisierung läßt sich durch ein optisches Delay (90) realisieren, welches nach der Auskopplung aus der Faser angeordnet ist. Ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines solchen optischen Delays ist in 7.1 dargestellt.

Das optische Delay (90) besteht aus einer ungeraden Anzahl, mindestens jedoch drei 100-Prozent-Spiegeln sowie einem halbdurchlässigen Spiegel, die so zueinander angeordnet sind, dass am halbdurchlässigen Spiegel bezüglich der Einfallsebenen eine Vertauschung der Symmetrie erfolgt. Durch die Vertauschung der Symmetrie wird aus einem hier so bezeichneten "Linksstrahl" ein " Rechtsstrahl" und aus einem "Rechtsstrahl" ein "Linksstrahl". Die Bezeichnungen "Linksstrahl" und "Rechtsstrahl" werden eingeführt, um weitere Erklärungen verständlich zu machen. Nur eine ungeradzahlige Anzahl von Reflektionen in der gleichen Ebene führt zu einem Symmetrietausch.

Die Anzahl der 100-Prozent-Spiegel (3, 5, 7 ...) ist damit zwingend notwendig und wesentlich für die Erfindung. Der geringste Justageaufwand liegt demnach bei drei 100-Prozent-Spiegeln vor. Da Laufzeiteffekte keinerlei Rolle spielen, ist das Delay in sehr kompakter Bauweise ausführbar.

Die aus der Auskopplung am Faserende kommenden Lichtstrahlen treffen auf das nachgeordnete optische Delay (90), wo sie als Partialstrahlen zum Teil durch den halbdurchlässigen Spiegel (91) hindurch treten bzw. erst nach ein- oder mehrmaligen Umlauf über die Reflektionen an den 100-Prozent-Spiegeln (92; 93; 94) das optische Delay verlassen. Die Spiegel sind dabei so zu justieren, dass alle Partialstrahlen nach dem optischen Delay die gleiche Ausbreitungsrichtung besitzen und einen einheitlichen Strahl bilden. Die Ebene des optischen Delays muss dazu in Richtung der rescannten Zeilen liegen. Entsprechend der Zahl der Umläufe im optischen Delay ergeben sich "Linksstrahlen" oder "Rechtsstrahlen" als Partialstrahlen.

Um eine Symmetrisierung zu erreichen, müssen die Intensitäten der Summe aller Rechtsstrahlen I_R gleich der Summe der Intensitäten der Linksstrahlen I_L sein, d.h. IR = IL (1)

Für die Gesamtintensität gilt: I = IR + IL (2)

Es soll nun die erforderliche Reflektivität R des halbdurchlässigen Spiegels berechnet werden. Wenn die Absorption des Spiegels vernachlässigbar ist, so gilt folgende Beziehung zwischen der Reflektivität und der Transmitivität T. R + T = 1 (3)

Für die Intensität der Rechtsstrahlen gilt die Beziehung:

Wobei der zweite Term in Gleichung (4) nach zweimaligem Umlauf, der dritte Term nach viermaligem Umlauf usw. resultiert. Die Summe enthält eine geometrische Reihe und läßt sich daher aufsummieren.

Für die Linksstrahlen ergibt sich analog mit ungeradzahliger Zahl der Umläufe:

Unter Verwendung der Gleichungen (1, 3-5) ergibt sich schließlich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen

1 schematisch das Prinzip einer lasergestützten Farbbildanzeige- und Projektionsvorrichtung, von der die Erfindung ausgeht;

2 schematisch das Prinzip einer lasergestützten Farbbildanzeige- und Projektionsvorrichtung, ohne Transformationsoptik, von der die Erfindung ebenfalls ausgehen kann;

3 die Vignettierung des Laserstrahles an der Facettenkante (121) des Polygonspiegels (12);

4 die Projektionsgeometrie einer lasergestützten Farbbildanzeige- und Projektionsvorrichtung;

5 eine Anordnung eines Projektionssystems mit erfindungsgemäßer Justageeinrichtung (9);

6 eine Anordnung eines Projektionssystems mit erfindungsgemäßer Justageeinrichtung (9), ohne Transformationsoptik;

7.1 bzw. 7.2 zeigen den Aufbau eines optischen Delays bzw. den Strahlenverlauf innerhalb des Delays;

8 den Aufbau der erfindungsgemäßen Justageeinrichtung;

9 beispielhaft den Helligkeitsverlauf im Projektionsbild in Abhängigkeit von der horizontalen Pixelnummer (XGA), von der die Erfindung ausgeht;

10 den Helligkeitsverlauf für die erfindungsgemäß symmetrisierten Kurven aus 9.

1 zeigt die schematische Darstellung der wichtigsten optischen Komponenten eines Laserprojektors von der die Erfindung ausgeht. Drei Laser (1), (2) und (3) erzeugen Lichtbündel in jeweils einer der Primärfarben Rot, Grün und Blau. Jeweils eines dieser Lichtbündel wird durch einen Intensitätsmodulator (4), (5) und (6) geführt. Intensitätsmodulierte Lichtbündel in den Farben Rot, Grün und Blau verlassen jeweils einen der Intensitätsmodulatoren (4), (5) und (6). Die drei intensitätsmodulierten Lichtbündel werden in einer Einrichtung zur räumlichen Strahlvereinigung (7) überlagert. Es entsteht ein kollineares R-G-B-Lichtbündel. Damit ist die Lage eines objektseitigen und bildseitigen Brennpunktes einstellbar und somit die Konvergenz des Lichtbündels in seiner Ausbreitungsrichtung. Dem verstellbaren optischen System (8) folgt die Justageeinrichtung (9), die durch einen beweglichen Kippspiegel (10) ausgestaltet ist, welchem im weiteren Verlauf die Einrichtung zur Strahlablenkung (11), bestehend aus einem Polygonspiegel (12) zur Zeilenablenkung und ein Kippspiegel (13) zur Bildablenkung, folgt. Eine nachfolgende Transformationsoptik (14) vergrößert die Ablenkwinkel des R-G-B-Lichtbündels, welches dann auf einer Projektionsfläche (15) ein Bild schreibt.
Vom Beobachter werden die störenden Randverfärbungen sowie Helligkeitsabfall wahrgenommen, wie sie am Verlauf, dargestellt in 9, erkennbar sind. Die Farben der dargestellten Kurven repräsentieren die Laserfarben Rot (R), Grün (G) und Blau (B). Deutlich erkennbar ist dabei der asymmetrische Verlauf der Kurven. Nur wenn diese drei Kurven genau übereinander liegen, treten keine Randverfärbungen auf.
2 zeigt die Ausführungsform einer lasergestützten Farbbildanzeige- und Projektionsvorrichtung, ohne Transformati onsoptik. Hierbei wird der über den Polygonspiegel (12) Lichtstrahl zeilenmäßig abgelenkt.
In 3 ist die Vignettierung (Beschneidung) des Laserstrahles an der Facettenkante (121) des Polygonspiegels (12) dargestellt. Im Abstand r zur Strahlachse wird dabei der Laserstrahl beschnitten. Winkel α bezeichnet den Einfallswinkel des Laserstrahles auf der Polygonfacette (121).
4 zeigt die Projektionsgeometrie nach 1 bzw. 2. Im Bild ist der Justierspiegel (10) so eingestellt, dass der Laserstrahl auf die Bildmitte trifft, wenn er in der Facettenmitte reflektiert wird. S₁ bzw. s₂ bezeichnen dabei den Abstand Faserende zu Justagespiegel (S₁) bzw. den Abstand Justagespiegel zur Facettenoberfläche (s₂).
5 bzw. 6 zeigen Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Anordnung einer lasergestützten Farbbildanzeige- und Projektionsvorrichtung. Hierbei wird der RGB-Strahl in erfindungsgemäßer Weise über einen Justagespiegel, welcher als Kipp- bzw. Schwenkspiegel (10) ausgestaltet sein kann, in der Art geleitet wird, dass dieser zuvor durch ein optisches Delay (90) geleitet, so ausgerichtet ist, dass er auf die Bildmitte des Projektionschirms trifft, wenn er in der Facettenmitte reflektiert wird.
Erfindungswesentlich und nicht ohne weiteres zu erwarten war, dass durch das Vertauschen der Symmetrie die gewünschten Korrekturen erzielt werden können, und zweitens das dies durch das erfindungsgemäß ausgestattete optische Delay in einfacher aber kompakter Bauweise erzielt wird.
In 7.1 ist beispielhaft die Ausführung des optischen Dalays, bestehend aus drei 100%-Reflektionsspiegeln (92, 93, 94) und einem halbdurchlässigem Spiegel (91) dargestellt. 7.2 zeigt den Umlauf eines eingehenden Lichtstrahls (95'), dessen Aufspaltung in Partialstrahlen bzw. -strahlenbündel 95'' und 95''', wobei der symetrierte Lichtstrahl 95'', zusammengesetzt aus dem durch den halbdurchlässigen Spiegel (91) direkt hindurchtretenden Lichtstrahl und den ein- und mehrfach umlaufenden Partialstrahlen gebildet wird. Die Partialstrahlen bzw. -bündel 95''' werden dazu vom halbdurchlässigen Spiegel (91) weiter auf den 100%-Spiegel (92), von dort zu den 100%-Spiegeln (93) und (94) abgelenkt. Die so abgelenkten und jeweils am halbdurchlässigen Spiegel weiter hindurchtretenden oder wiederum abgelenkten Strahlen, verlassen auf diese erfindungsgemäße Weise erst nach ein- oder mehrmaligem Umlauf das optische Delay (90).
Die ungerade Anzahl, im Beispiel der 7.1 bzw. 7.2 drei, an Reflektionen in der gleichen Ebene bewirkt die Vertauschung der Symmetrie.
Die kompakte Bauweise des optischen Delays ist auch deshalb für die Erfindung wesentlich, da damit die sehr geringen Zeitverschiebungen der Partialstrahlen, aufgrund der ein- bis mehrfachen Umläufe, nicht sichtbar werden.
In den 9 und 10 sind der jeweils gemessene Helligkeitsverlauf im Bild in Abhängigkeit von der horizontalen Pixelnummer (XGA) gegenübergestellt. Die Kurven R, G, B repräsentieren jeweils die Laserfarben. Im Helligkeitsverlauf der 9, bei der die Projektion mit einer Justageeinrichtung (9) ohne optischen Delay durchgeführt wurde, ist deutlich der asymmetrische Verlauf der Kurven erkennbar.
Aus 10 dagegen ist eine etwaige Halbierung des Farbfehlers erkennbar. Hierbei konnte die Wirkung der Symmetrierung infolge des Einbaues des optischen Delays und das verbesserte Verfahren der Justierung nachgewiesen werden.
Das RGB-Laserbündel trifft als Lichtspot auf die Projektionswand oder -schirm auf. Durch die zweiachsige Ablenkeinrichtung wird ein formatfüllendes Bild aufgebaut. Der Projektionsschirm remittiert das Laserlicht in den Raum, in dem sich der Beobachter befindet.

1: Lichtquelle Rot
2: Lichtquelle Grün
3: Lichtquelle Blau
4: Intensitätsmodulator Rot
5: Intensitätsmodulator Grün
6: Intensitätsmodulator Blau
7: Einrichtung zur Strahlvereinigung
71: Faserein- und Faserauskopplungseinheit
8: optische Achse des RGB-Lichtbündels
9: Einrichtung zur Justage
10: Justagespiegel
11: Einrichtung zur Strahlablenkung
12: Polygonspiegel
121: Facetten des Polygonspiegels
13: Kippspiegel
14: Transformationsoptik
15: Projektionsfläche
90: Optisches Delay
91: Halbdurchlässiger Spiegel
92: 100-Prozent-Spiegel 1
93: 100-Prozent-Spiegel 2
94: 100-Prozent-Spiegel 3
95': einfallender Lichtstrahl
95'': symmetrisierter Lichtstrahl
95''': abgelenkte/r Partiallichtstrahl/en

Claims

Anordnung zum Projizieren eines Videobildes mit minimierten Randverfärbungen auf eine Projektionsfläche (15), welches zeilenweise mit moduliertem Lichtstrahl aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in ihrer Intensität veränderbaren Lichtquelle und einer Justageeinrichtung (9) nach der Faser sowie einer Ablenkeinrichtung (11), die das Lichtbündel auf die Projektionsfläche (15) ablenkt, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Lichtbündel nach Verlassen einer Einrichtung zur räumlichen Strahlvereinigung (7) und der Faserein- und Faserauskopplungseinheit (71) in eine Justageeinrichtung (9) geleitet wird/werden, die entlang der optischen Achse (8) in der Art angeordnet ist/sind, dass eine Symmetrierung des/der Lichtstahles/-strahlen in der horizontalen Bildebene vorgenommen wird, die bezüglich der Einfallsebenen eine Vertauschung der Symmetrie zur Folge hat.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertauschung der Symmetrie auf eine Weise erfolgt, bei der die aus einer Faserein- und Faserauskopplungseinheit (71) kommenden Lichtstrahlen zum Teil an einem danach angeordnetem halbdurchlässigem Spiegel (91) abgelenkt werden bzw. hindurch treten, die abgelenkten Lichtstrahlen über eine ungerade Anzahl von mindestens drei 100%-Reflekionsspiegeln erneut auf den halbdurchlässigen Spiegel (91) geleitet werden und nach ein- oder mehrmaligem Umlauf nach dem halbdurchlässigen Spiegel (91) die gleiche Ausbreitungsrichtung besitzen und einen einheitlichen asymmetrischen Lichtstrahl bilden.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der asymetrische Lichtstrahl auf einen Justagespiegel (10) geleitet wird, der so angeordnet ist, dass der asymetrische Lichtstrahl die Justageeinrichtung (9) verläßt und dabei so auf eine Strahlablenkungseinheit (11) zur Bildablenkung trifft, dass dieser ein Videobild auf die Projektionsfläche (15) schreibt.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der asymetrische Lichtstrahl nach der Strahlablenkungseinheit (11) vor dem Schreiben des Videobildes auf die Projektionsfläche (15) durch eine Transformationsoptik (14) geleitet wird.
Optisches Delay (90) nach Anspruch 1, enthaltend einen halbdurchlässigen Spiegel (91) in Lichtstrahlrichtung und eine ungerade Anzahl von mindestens drei 100%-Reflekionsspiegeln, die so zueinander angeordnet sind, dass am halbdurchlässigen Spiegel (91) eine Vertauschung der Symmetrie erfolgt.
Optisches Delay (90) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die 100%-Reflekionsspiegel so zum halbdurchlässigen Spiegel (91) justiert sind, dass alle Partialstrahlen nach dem optischen Delay die gleiche Ausbreitungsrichtung besitzen und einen einheitlichen Lichtstrahl bilden.
Optisches Delay nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass es in verfahrensgemäß kompakter Bauweise ausgeführt ist.