DE102004027674A1 - Verfahren zur Kompensation von Nichtlinearitäten in einem La-serprojektionssystem und Laserprojektionssystem mit Mitteln zur Kompensation von Nichtlinearitäten - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Homogenisierung der Pixelgröße und Pixelhelligkeit bei einem Laserprojektionssystem vorgenommen, in welchem mittels Ablenkung durch einen Mikrospiegel Pixel nacheinander projiziert werden. Dies wird erreicht, indem die Nichtlinearität der Mikrospiegelschwingung durch zeitlich variierende Pixellänge kompensiert wird. Durch die Kompensation werden die Größe und die Helligkeit des projizierten Pixels bei diesem Laserprojektionssystem gleichmäßig und stabil auf eine Projektionsfläche verteilt. Dadurch kann die von Pixel auf einer Projektionsfläche, z. B. ein Bildschirm, dargestellte Bildqualität verbessert werden. Ein nach solchem Verfahren aufgebautes Projektionssystem hat besonders Vorteile bei der Miniarisierung, so dass es für die Verwendung oder den Einsatz in einem mobilen Gerätg, beispielsweise mobilen Telefon, geeignet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Nichtlinearität von Mikrospiegelschwingungen und insbesondere zur Erzielung einer homogenen Pixelgröße und Pixelhelligkeit in einem Laserprojektionssystem, in welchem mittels Ablenkung durch einen Mikrospiegel Pixel nacheinander projiziert werden, und ein Laserprojektionssystem zur Durchführung eines derartigen Verfahren.
• Die Miniaturisierung von Projektionsgeräten spielt für Daten verarbeitende Geräte, in denen nur eine kleine Projektions- bzw. Anzeigefläche zur Verfügung steht, eine wichtige Rolle. Ein Beispiel für ein derartiges Gerät ist ein mobiles Gerät, wie z.B. ein Mobiltelefon oder ein PDA. Der Spielraum der Anwendungsmöglichkeiten kann durch die stetig verbesserte Verarbeitung großer Datenmengen praktisch auf beliebige informationsbezogene Dienste erweitert werden, wenn geeignete Darstellungsverfahren für die Informationen zu Verfügung stehen.
• Vor allem für die Darstellung wachsender Datenmengen in mobilen Geräten eröffnet die Verwendung von Projektionssystemen mit Mini-Projektoren viele Möglichkeiten. Eine viel versprechende Ausführung von Mini-Projektoren ist die Projektion mit Hilfe eines über 2D-Mikropiegel abgelenkten Laserstrahls. Dabei scannt der Strahl die Projektionsfläche zeilenweise ab (wie der Elektrodenstrahl in einer Kathodenstrahlröhre). Ein Bild entsteht dann, indem die Bilddaten auf den Laserstrahl moduliert werden. Bei einer Laserprojektion ist die Schwingung des zur Ablenkung des Projektionsstrahls eingesetzten Mikrospiegels nicht linear. Dadurch bedingt ist auch die Strahlgeschwindigkeit über den Auslenkungsbereich nicht linear. Dies führt zu einer Inhomogenität, d.h. projizierte Pixel haben eine höhere Helligkeit im Randbereich der Projektion und sind in der Bildmitte größer als am Rand. 1-3 veranschaulichen Spiegelschwingung, Strahlgeschwindigkeit und Helligkeitsverteilung für einen sinusförmig schwingenden Mikrospiegel. Die Nichtlinearitäten der Spiegelschwingung müssen kompensiert werden, um über die gesamte Projektionsfläche eine gleich bleibende Helligkeitsverteilung sowie Pixelgröße zu erreichen.
• Die Erfindung hat zur Aufgabe, die Nichtlinearitäten von Spiegelschwingungen in einem Laserprojektionssystem zu kompensieren.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzw. 6 gelöst.
• Erfindungsgemäß werden die Nichtlinearitäten von Spiegelschwingungen in einem Laserprojektionssystem durch Anpassung der Zeitspanne, während der die für die Darstellung eines Pixels verwendete Energie abgestrahlt wird, kompensiert. Dabei wird diese Zeitspanne so angepasst, dass die Breite der projizierten Pixel auf einer Projektionsfläche, z.B. Bildschirm, im Wesentlichen gleich ist.
• Die Erfindung erlaubt insbesondere, eine homogenen Pixelgröße und Pixelhelligkeit zu erzielen. Die Darstellung verschiedener Pixel mit gleicher Helligkeit kann dadurch erreicht werden, dass für Pixel gleicher Helligkeit jeweils die gleiche Energiemenge abgestrahlt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist leicht und kostengünstig für alle Arten von Laserprojektionsgeräten, deren Projektionsstrahl über Mikrospiegel abgelenkt wird, einsetzbar. Das zu diesem Verfahren verwendete Gerät kann wegen des Einsatzes von Mikrospiegeln sehr klein aufgebaut werden und ist u.a. für den Einsatz in einem mobilen Gerät geeignet, z.B. in mobilen Telefonen. Das Verfahren kann sowohl als Schaltung oder Programm nach Maßgabe der systembedingten Vorgaben realisiert werden.
• Verschiedene Vorgehensweisen zur Anpassung der Zeitspanne, während der die für die Darstellung eines Pixels verwendete Energie abgestrahlt wird, sind möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Energie in Pulsform abzustrahlen und die Zeitspanne durch die Variation der zeitlichen Abstände der Pulse anzupassen. Dabei können alle Pulse dieselbe Form und Länge haben. Durch die Anzahl der abgestrahlten Pulse bei der Darstellung eines Pixels kann dann die Helligkeit dieses Pixels gesteuert werden. In diesem Fall ist es anschaulich, sich die Pixel als aus mehreren Subpixel bestehend vorzustellen, wobei die Subpixel durch die einzelnen Pulse gegeben sind. Bei Variation der zeitlichen Abstände von Pulsen bzw. Subpixel ist es nicht erforderlich, die Pulsform selber anzupassen; die Änderung des Zeitintervalls, während dem die Energie eines Pixels abgestrahlt wird, kann alleine durch die Länge der Dunkelzeiten bzw. Laserausschaltzeiten zwischen den einzelnen Pulsen gesteuert werden. Bei Abstrahlung der Energie in Form von Pulsen können Pixel derselben Helligkeit bzw. Helligkeitsstufe durch eine feste Anzahl von Pulsen dargestellt werden. Diese hat den Vorteil, dass man durch Aktivierung bzw. Hinzufügung und Deaktivierung bzw. Auslassung von Pulsen Helligkeitsstufen für die Darstellung von Pixel erzeugen kann.
• Die Steuerung bzw. Anpassung der abgestrahlten Energie des Lasers ist gewissermaßen eine digitale Methode, bei die Pulsform nicht verändert wird. Als solche ist sie in der Regel günstiger und einfacher zu verwenden als eine analoge Methode.
• Andere Möglichkeiten für die Anpassung des Zeitintervalls, während der die für die Darstellung eines Pixels verwendete Energie abgestrahlt wird, bestehen darin, die abgestrahlte Leistung zu variieren. Beispielsweise könnte man während des Zeitintervalls eine homogene Leistung abstrahlen, und in Pixelweise die Amplitude anpassen, so dass eine konstante Energiemenge pro Pixel abgegeben wird.
• Die Erfindung umfasst auch ein Laserprojektionssystem mit Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens zur Kompensation der Nichtlinearitäten. Diese Mittel können hardwarebasiert realisiert sein, z.B. als eine Schaltung in Form eines FPGA (Field Programmable Gate Array) Moduls. Ebenso ist denkbar, dass die Mittel als softwareorientiert, z.B. als Computerprogramm in einem Mikrokontroller oder DSP (Digital Signal Processor) realisiert sind.
• Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass sie sich ausschließlich durch Schaltungstechnik oder Software realisieren lässt, was ihre Realisierung aufwandsarm und leicht umsetzbar macht. Die Erfindung kann in allen Laserprojektionsgeräten eingesetzt werden, in denen der Projektionsstrahl über Mikrospiegel abgelenkt wird. Durch die Flexibilität hinsichtlich der Realisierung kann so eine Kompensation von Nichtlinearitäten für Laserprojektionssysteme zum Einsatz von beliebigen Geräten, außer in mobilen Geräten z.B. auch noch in (evtl. miniaturisierten) Fernsehern, Diaprojektoren, Beamers, usw., erzielt werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher dargestellt.
• Es zeigen:
• 1: Mechanische Schwingung des Mikrospiegels im Laserprojektionssystem.
• 2: Geschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls relativ zur Projektionsfläche.
• 3: Helligkeitsverteilung in einer Zeile.
• 4: Mittels Subpixel gebildetes mittleres Pixel.
• 5: Mittels Subpixel gebildetes Randpixel.
• In 1–3 wird das Auftreten von Nichtlinearitäten anhand der Schwingungen eines sinusförmig schwingenden Mikrospiegel illustriert.
• 1 zeigt den Weg des abgelenkten Laserstrahls auf einer Projektionsfläche (z.B. Display). Die vertikale Achse ist die Amplitude der Auslenkung und die horizontale Achse ist die Zeitachse.
• 2 zeigt die Geschwindigkeit des abgelenkten Laserstrahls auf der Projektionsfläche als Funktion der Zeit. Diese Geschwindigkeit ergibt sich aus der Ableitung der Kurvenform aus 1.
• 3 zeigt die Helligkeitsverteilung der Pixel auf der Projektionsfläche
• Ohne Kompensation der Nichtlinearitäten des Projektionssystems verkleinert sich von Zeilemitte zu Zeilerand die Pixelgröße allmählich, während die Pixelhelligkeit zunimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass während der Abgabe der Leistung für die Darstellung eines Pixels in der Zeilenmitte der Laserstrahl eine größere Strecke zurücklegt als am Rand.
• Die erfindungsgemäße Kompensation der Nichtlinearitäten der Spiegelschwingung, homogene Pixelgrößen und Pixelhelligkeiten bei Laserprojektionssystemen erlaubt, erfolgt folgendermaßen: Die für die Darstellung eines Pixels abgestrahlte Leistung wird in gepulster Form bzw. in der Form von Subpixel t_SP abgegeben. Dabei wird ein Pixel in eine über die gesamte Schwingung des Mikrospiegels konstante Anzahl von Pulsen einer festen Länge t_SP unterteilt (siehe 4 und 5).
• Im Folgenden werden zwei Beispiele für ein projiziertes Pixel beschrieben:
• 1. Das Pixel befindet sich im Bereich der Zeilenmitte. Da nach 2 die Geschwindigkeit des Projektionsstrahls in der Zeilenmitte im Vergleich mit derer im Randbereich größer ist, ist hier auch der Abstrahlungszeitraum der Energie zur Darstellung des Pixels kürzer.
• 2. Das Pixel befindet sich nicht in der Nähe der Zeilemitte, sondern im Zeilenrandbereich.
• Da die Geschwindigkeit des Projektionsstrahls am Zeilerand nicht mehr so groß ist wie in der Zeilenmitte, ist hier der Zeitraum bzw. das Zeitintervall für die Abstrahlung der das Pixel darstellenden Energie länger.
• In beiden Fällen haben die auf der Projektionsfläche dargestellten Pixel dieselbe Größe und Helligkeit.
• Um die Pixel genau zu steuern, ist ein Modulationsverfahren PWM (Pulsweitenmodulation) erforderlich. Da die Anzahl der Subpixel t_SP (bzw. der aktivierten Pulse, siehe 4 oder 5) pro Pixel sowie die Länge eines Subpixels (Pulsweite) über eine ganze Zeile konstant sind, wird bei der Projektion für jedes Pixel eine konstante Lichtenergie abgegeben, d.h. für die Darstellung jedes Pixel wird die gleiche Energie abgegeben. Dadurch erzielt dieses Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM), bei dem der Abstand der Pulse variiert wird, über den gesamten Ablenkungsbereich des Spiegels eine homogene effektive Pixelgröße und eine gleichmäßige Helligkeit.
• Zur Kompensation der Nichtlinearität der Pixelgröße wird das genau in der Zeilemitte entstehende Pixel wegen der größten Geschwindigkeit der Mikrospiegelschwingung am kürzesten gebildet, d.h. die Subpixel t_SP stehen sehr dicht nebeneinander. In dem in 4 dargestellten Fall, bei dem keine Dunkelzeit zwischen den Subpixel t_SP gegeben ist, wird die zeitliche Länge des kürzesten Pixels direkt aus der Anzahl der Pulse pro Pixel und der Länge eines Subpixels t_SP bestimmt (siehe 4). Als Folge ist der Zeitraum, während dem durch den Laserstrahl das Pixel projiziert wird, kürzer im Vergleich zu anderen Pixel, damit die ursprünglich größte Pixellänge in der Zeilemitte kompensiert wird.
• Um nun in der Projektion eine konstante Länge aller Pixel über den Schwingungsbereich des Spiegels zu erhalten, müssen die Pixel in ihrer Länge von innen nach außen hin „gestreckt" werden, und zwar entsprechend der in 3 gezeigten Funktion. Dazu werden zwischen den einzelnen Pulsen in einem Pixel ein Dunkelzeit t_D eingeführt (siehe 5), in welcher der Laser grundsätzlich ausgeschaltet ist. Da von der Zeilemitte zum Zeilerand hin die Pixelgröße bei unkompensierter Projektion immer kleiner wird, wird die Zeit t_D auch entsprechend länger eingestellt (siehe 5). Als Folge wird der Laserstrahl eine längere Strecke im Zeilerandbereich projizieren, d.h. die Länge der projizierten Pixel im Zeilerand entsprechend vergrößert werden.
• Die Kompensation der Nichtlinearität der Helligkeitsverteilung kann im Rahmen des Verfahrens gleichzeitig durchgeführt werden, weil die Länge der Dunkelzeiten t_D von der Zeilenmitte nach den beiden Rändern hin erhöht wird. Durch die Verlängerung der Dunkelzeiten t_D wird der Zeitraum der Abstrahlung der Energie eines Pixels länger. Dadurch wird die Pixelhelligkeit am Zeilerand im Vergleich zu Projektion ohne Kompensation verdunkelt und ist genau so groß wie in der Zeilemitte, wenn die Zeit t_D passend eingestellt wird.
• Neben einer Homogenisierung der Pixelhelligkeit wird über die Pulse bzw. Subpixel t_SP auch die Darstellung von Helligkeitsstufen bzw. Graustufen ermöglicht. Durch die Anzahl der aktivierten Pulse (Laser ist während der Puls-Zeit eingeschaltet) in einem Pixel kann die Helligkeit des jeweiligen Pixels gesteuert werden. Im Allgemeinen gilt, je größer die Anzahl n der Pulse pro Pixel ist, desto mehr Helligkeitsstufen (Graustufen) sind darstellbar.
• Die Erfindung kann als Schaltung, z.B. FPGA (Field Programmable Gate Arrays), ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder als Programm in einem Mikrocontroller oder DSP (Digital Signal Processor) implementiert werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kompensation der Nichtlinearität von Mikrospiegelschwingungen und insbesondere zur Erzielung einer homogenen Pixelgröße und Pixelhelligkeit in einem Laserprojektionssystem, in welchem mittels Ablenkung durch einen Mikrospiegel Pixel nacheinander auf eine Projektionsfläche projiziert werden, bei dem – die Zeitspanne (t_PM, t_PR), während der die für die Darstellung eines Pixels verwendete Energie abgestrahlt wird, so angepasst wird, dass die Breite der projizierten Pixel im Wesentlichen gleich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die für die Darstellung verschiedener Pixel mit gleicher Helligkeit jeweils die gleiche Energiemenge abgestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Energie in Pulsform abgestrahlt wird, und – die Anpassung der Zeitspanne (t_PM, t_PR) durch die Variation der zeitlichen Abstände der Pulse vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – durch die Anzahl der abgestrahlten Pulse bei der Darstellung eines Pixels die Helligkeit dieses Pixels gesteuert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Darstellung von Pixel einer ersten Helligkeitsstufe eine feste Anzahl von Pulsen abgestrahlt wird, und – durch die Anzahl der aktivierten Pixel verschiedene Helligkeitsstufen einstellbar sind.
6. Laserprojektionssystem mit Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Laserprojektionssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Mittel als Schaltung, beispielsweise als FPGA (Field Programmable Gate Arrays) oder ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Modul, sowie als Programm in einem Mikrokontroller oder DSP (Digital Signal Processor) realisiert sind.