DE102006025638A1

DE102006025638A1 - Einrichtung und Verfahren zur Bildprojektion

Info

Publication number: DE102006025638A1
Application number: DE102006025638A
Authority: DE
Original assignee: Jenoptik LDT GmbH
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-12-20

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bilddarstellung vorzugsweise mit einem Laser für Simulationsanwendungen, wie zum Beispiel einem Flugsimulator. Die Einrichtung zeichnet sich insbesondere durch eine Kollimationsanordnung mit speziellem Rückprojektionsschirm (1) aus, der eine Verringerung der Specklebildung bewirkt. Der sphärische oder torische Projektionsschirm (1) besteht vorzugsweise aus einer transparenten Trägerschicht (41), einer optischen Trennschicht (42) und einer optisch von der Trägerschicht (41) entkoppelten opaken oder transluzenten Streuschicht (43). Zugleich bewirken das Verfahren und die Einrichtung, dass der Simulator raum- und gewichtssparend konstruiert werden kann.

Description

[Bezeichnung der Erfindung:]
Einrichtung und Verfahren zur Bildprojektion
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bilddarstellung mit einem Laser, bei welcher der Laser Laserlicht definierter Kohärenzlänge bei einer vorgegebenen Wellenlänge aussendet. Die Einrichtung zeichnet sich insbesondere durch eine Kollimationsanordnung für einen Flugsimulator mit speziellem Projektionsschirm aus, der eine Verringerung der Specklebildung bewirkt.
Eine Vorrichtung mit einem Laser zur Bilddarstellung mit einer reproduzierbaren Speckle-Reduktion ist aus der WO 98/20385 bekannt. Bei der Projektion mit Laserprojektoren kommt es in der Regel zu einer mehr oder weniger starken Ausprägung von Specklen. Die entsprechende Messgröße ist der Specklekontrast. Es sind aus der Literatur eine ganze Reihe von Methoden bekannt, die sich zur Specklereduktion eignen. In der oben genannten WO 98/20385 wird im Wege des von einem Laser ausgesandten Lichtes eine erste Struktur angeordnet, mit der für einzelne Photonen des Laserlichts Phasenverschiebungen, gemäß einer vorgegebenen Verteilung durchführbar sind. Diese Methode ist allerdings nur dann effektiv, wenn die Kohärenz des Lasers nicht zu groß ist. Bekannt ist, dass Rückprojektionsschirme, die eine volumenstreuende Schicht als Streuschicht besitzen, sich prinzipiell für die Projektion mit Laserprojektoren eignen und der Specklekontrast mit wachsender Schichtdicke fällt. Die Auswahl von Material und Schichtdicke hängt vom verwendeten Lasertyp ab.
Ein Rückprojektionsschirm besteht in der Regel aus einem transparenten Träger (11), z.B. Acrylglas, der eine stabile Form gibt und einem streuenden Medium (12), Streuschicht oder -folie, das auf dem Träger aufgebracht ist, siehe 1. Durch die Verwendung eines Volumenstreuers kommt es im Vergleich zu konventionellen Rückprojektionsschirmen zu einer deutlichen Verstärkung des rückgestreuten Lichtanteiles. Der transmittierte Lichtanteil kann beispielweise bei 30% liegen. Entsprechend hoch ist der rückgestreute Anteil. Gleichzeitig besitzen derartig aufgebaute Schirme praktisch keinen Gain, d.h. es liegt eine isotrope Streucharakteristik vor. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Lambertstreuer, d.h. er strahlt in alle Richtungen etwa gleich ab.
Das rückgestreute Licht wird teilweise an der Rückseite des Acrylträgers (11) reflektiert und gelangt an anderer Stelle wieder auf den Schirm, siehe 2. Dadurch kann es je nach Ausprägung der Rückstreuung zu einer störenden Hofbildung kommen. Es kommt so zur typischen Ausbildung eines Streuhofes um einen Lichtpunkt (siehe rechte Abbildung der 2). Der Streuhof wird am Grenzwinkel der Totalreflexion besonders deutlich sichtbar. Um diese Hofbildung zu verringern wird in WO 03/054624 ein Projektionsschirm beschrieben, bei der die lichtstreuende Schicht als Beschichtung einer dünnen, transparenten Folie ausgeführt ist und dass die Folie an einem Träger befestigt und gegenüber dem Träger optisch entkoppelt ist. Die optische Entkopplung kann zum Beispiel durch einen Luftspalt realisiert werden, der durch einen Abstandhalter in Form von transparenten Kügelchen erzeugt wird. Diese transparente Schicht, auch wenn sie dünn ist, verursacht eine wenn auch minimal ausgeprägte Hofbildung, zumindest aber eine Verschlechterung der Schirmauflösung. Bei sphärisch gekrümmten Projektionsschirmen, wie sie insbesondere bei Flugsimulatoren Verwendung finden, wirken sich diese Nachteile zusätzlich negativ aus. Aus WO 2004/099842 A1 ist eine Bildprojektionsanlage bekannt, bei der ein Schirm mit einer absorbierenden Schicht in der kleine Kügelchen, so genannte Black Beads, eingebettet sind beschrieben. Diese Schicht befindet sich auf der konkaven Seite des Schirmes und führt dadurch zu einer reduzierten Reflexion. Insbesondere bei der Projektion mit Laserprojektoren, die ein hochgradig kohärentes Licht projizieren, wird es zu einer starken Ausprägung von Specklen kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte gattungsgemäße Einrichtung für einen Simulator, insbesondere Flugsimulator, zu schaffen, so dass eine wirkungsvolle, allgemein anwendbare und reproduzierbare Speckle-Reduktion ermöglicht und die Koronabildung reduziert wird, um zugleich damit den Kontrast des Bildes für den Beobachter (Pilot) zu erhöhen. Die Anordnung soll gegenüber dem Stand der Technik platzsparend und von möglichst geringem Gewicht sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung gelöst, bei der ein mit einer von einer Trägerschicht optisch entkoppelten opaken Streuschicht ausgeführter Rückprojektionsschirm (1) durch einen Projektor (2) erfindungsgemäß in der Art beleuchtet wird, dass dieser ein Bild erzeugt, welches ein derart hinter dem Rückprojektionsschirm (1) angeordneter Spiegel (3) in das Auge des Betrachters (4) abbildet. Der Rückprojektionsschirm (1) ist dabei in der Nähe der Brennebene des Spiegels (3) angeordnet. Das virtuelle Bild wird vom Betrachter im Spiegel (3) in einer großen Entfernung wahrgenommen. Er ist dadurch in der Lage das Bild mit entspanntem Auge zu sehen. Visuell ergibt sich ein äußerst ähnlicher Eindruck wie in einer realen Abbildung. Der Kontrast ist erhöht und die Koronabildung deutlich reduziert. In bevorzugter Ausführung sind der Rückprojektionsschirm (1) und der Spiegel (3) sphärisch geformt. In einer anderen bevorzugten Ausführung sind Rückprojektionsschirm (1) und/oder Spiegel (3) torisch geformt. In besonders bevorzug ter Weise ist der Projektor (2) ein Laserprojektor. Ein Laserprojektor hat eine wesentlich höhere Lichtleistung als die bisher verwendeten CRT-Projektoren. Daher muss der Schirm (1) nicht notwendigerweise einen hohen Gain besitzen. Ein hoher Gain liegt dann vor, wenn das Licht bevorzugt in Richtung der verlängerten Achse zum Projektor gestreut wird. Das Sichtfeld eines Piloten ist typischerweise 40° × 180° oder häufig sogar 40° × 220°, wobei der erste Winkel den vertikalen Bereich angibt. Die gesamte Anordnung ist fest zueinander montiert, lässt sich aber insgesamt über ein hydraulisches Bewegungssystem bewegen, um einen realistischen Eindruck der Flugsituation entsprechend zu geben.
Typische bekannte Abmessungen für Flugsimulatoren in der rein sphärischen Ausführung haben zum Beispiel:

1. Spiegelradius: etwa 3.2 m
2. Schirmradius: etwa 1.8 m
3. Abstand der beiden Krümmungsmittelpunkte: etwa 0.07 m
4. Abstand des Augenpunktes vom Schirm: etwa 2.6 m
5. Höhe der Krümmungsmittelpunkte über dem Augenpunkt: etwa 1.1 m
6. Abstand der Projektoren vom Schirm: etwa 3 m
7. Höhe der Projektoren über dem Augenpunkt (Differenz d): etwa 2.1 m

Aus den oben genannten Maßen ergeben sich relativ große Gesamtabmessungen und somit auch eine relativ große Gesamtmasse, die vom Bewegungssystem bewältigt werden muss.
Bei diesen üblichen Ausführungen projiziert der Projektor nicht senkrecht auf den Rückprojektionsschirm. Seine Position liegt etwa 1 m über dem Krümmungsmittelpunkt des Schirmes. Dies ist notwendig, da die dort verwendeten Schirme in der Regel einen hohen Gain besitzen, um genügend Licht zum Auge des Piloten zu transportieren und um eine Kontrastverringerung der Mehrfachstreuung zwischen Spiegel und Schirm zu reduzieren.
Der in bevorzugter Weise erfindungsgemäß in der Einrichtung verwendete Laserprojektor kann einen Schirm zur Abbildung verwenden, der nicht notwendigerweise einen hohen Gain besitzt. Gleichzeitig muss dieser Schirm der für die Laserprojektion geeignet sein soll, aus Gründen der Specklereduktion, näherungsweise ein Lambertstreuer sein, d.h. dass er in alle Richtungen etwa gleich abstrahlt. Dies bedeutet aber auch, dass der Projektor (2) nicht mehr so weit oben über dem Betrachter (4) angebracht werden muss, wie bei bekannten Lösungen. Die Differenz d zwischen Projektionskopf (5) des Projektors (2) und Augenpunkt des Betrachters (4) wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert. Kontrastverringerung durch Mehrfachstreuung zwischen Spiegel und Schirm treten durch die Isotropie der Streuung in deutlich geringerer Stärke auf. Die Projektionsköpfe (5) können somit in erfindungsgemäßer Weise deutlich tiefer angebracht werden. Dadurch kann beim Bau eines Flugsimulators mit Gewicht gespart werden. Es verringert sich dadurch auch das Trägheitsmoment. Die Anforderungen an das Bewegungssystem werden gleichzeitig deutlich geringer. Hierdurch verringern sich zusätzlich die Herstellungskosten. 3 zeigt die Prinzipdarstellung der Bildprojektionseinrichtung mit dem verringertem Abstand d.
Durch diese Einrichtung kommt es weiterhin zu einer wesentlich geringeren Verzerrung im Bild. Wenn der Projektor in der Nähe des Krümmungsmittelpunktes des Schirmes angebracht wird (also etwa 1 m tiefer als bisher üblich), so sieht der Pilot ein Testbild bestehend aus äquidistanten Linien praktisch unverzerrt. Es ist nur noch eine geringe elektronische Entzerrung erforderlich. Jede elektronische Entzerrung würde aber zu Auflösungsverlusten im Bild führen.
In einer beispielhaften Ausführung beträgt die Höhe der Projektoren über dem Augenpunkt 1 m. Der Abstand der/des Projektors/der Projektoren vom Schirm beträgt 1,8 m. Die Höhe der Krümmungsmittelpunkte über dem Augenpunkt liegt bei 1,1 m.
In erfindungsgemäßer Ausführung wird ein Rückprojektionsschirm (1) verwendet, welcher ein Lambertstreuer ist und das rückgestreute Licht nur sehr gering an der Rückseite des Trägers bzw. der Trägerplatte (41) reflektiert. Der prinzipielle Aufbau des Rückprojektionsschirmes (1) ist aus 4 zu entnehmen. Der Schirm besteht aus einem geeigneten Träger (41), einer daran angeordneten optischen Trennschicht (42) und einer volumenstreuenden, vorzugsweise opaken bzw. transluzenten Streuschicht (43).
Der Träger (41) ist vorzugsweise transparent und besteht aus flexiblen, scheiben- oder plattenförmigem Material, wie beispielsweise Acryl. Er kann aber auch aus anderen transparenten Kunststoffen bestehen, die leicht formbar und ausreichend stabil sind. In einer weiteren Ausführung besteht die Trägerplatte (41) aus einem geeignetem Glas.
Die optische Trennschicht (42) ist zum Zwecke einer optischen Entkopplung vom Träger (41) derart gestaltet, dass sie durch eine Luftschicht mit möglichst gleichmäßig verteilten transparenten Abstandshaltern gekennzeichnet ist. Diese Abstandshalter können die Form von Kügelchen (44) besitzen, die gewährleisten sollen, dass die volumenstreuende opake Streuschicht (43) abgestützt wird. Die Kügelchen (44) sind vorzugsweise mit Hilfe eines dünnen transparenten Lackes auf den Träger (41) aufgebracht oder direkt in einen dünnere Lack- oder Klebeschicht eingebracht, wobei diese Schicht dünner ist als der Durchmesser der Kügelchen. Der gleiche Effekt kann auch durch einen transparenten Strukturlack mit Mikrostruktureffekt erzielt werden. Auf den oben genannten Strukturlack wird nun die Streuschicht so aufgebracht, dass eine Luft schicht (42) vorhanden ist. In einer vorteilhaften Ausführung ist die Streuschicht (43) eine opake Folie. In einer weiteren Ausführung ist die Streuschicht (43) eine Kombination mehrerer Folien oder auch eine Kombination mehrerer Folien, von denen mindestens eine Folie eine opake oder transluzente Folie ist.
Die erfindungsgemäß verwendete Streuschicht (43) ist so dünn gestaltet, dass sie gerade noch Speckles beseitigt (specklereduzierter Streuschicht). Die Transmission sollte möglichst hoch sein. Dazu muss die Streuschicht möglichst gering sein. Schirme mit Gain sind für die Specklereduktion nicht geeignet. Die Specklereduktion wird mit wachsender Schichtdicke der Streuschicht effektiver. Um die Gesamtschichtdicke jedoch gering zu halten, werden die aus dem Stand der Technik bekannten transparenten Schichten hier jedoch vermieden. Der Schirm muss für diesen Anwendungsfall immer ein Lambertstreuer sein, d.h. es gibt keine bevorzugte Streurichtung. Dies ist auch der Grund für den überraschenden erfinderischen Effekt, dass der Projektionskopf tiefer angebracht werden kann. Die volumenstreuende Streuschicht (43) kann aus einer Folie oder einer Folie in Verbindung mit einer Lackschicht aus jeweils opaken oder transluzenten Materialien bestehen. Die Streuschicht (43) kann in bekannter Weise mit dem Träger (41) randseitig verbunden sein. Die Streuschicht (43) in Form einer opaken Folie sollte vorzugsweise 100 μm bis 300 μm und in besonders bevorzugter Ausführung etwa 200 μm dick sein.
Der Rückprojektionsschirm ist in seiner Gesamtheit möglichst farbneutral zu halten, d.h. die drei Hauptfarben (Primärvalenzen) RGB besitzt in bevorzugter Weise möglichst gleiche Transmissionskoeffizienten. Eine Farbstichigkeit lässt sich zwar durch eine Änderung der Farbtemperatur des Projektors (2) kompensieren, was aber zu einer geringeren Lichtausbeute führt.
Die 5.1 bzw. 5.2. zeigen ein Testbild, das für den Piloten im Augenpunkt (4) aus äquidistanten Kreuzen besteht (Abstand 1°) aus der Sicht des Projektors (2). Aus 5.1 mit einem hoch angebrachten Projektor wird eine deutliche Bildverzerrung deutlich. Der Projektor müsste also an diesen Punkten Kreuze projizieren, um vom Augenpunkt aus betrachtet ein unverzerrtes Bild zu liefern. 5.2 zeigt dagegen das gleiche Testbild mit einem Projektor (2), welcher in optimaler Position in der Nähe des Krümmungsmittelpunktes positioniert ist.
Um das gesamte Gesichtsfeld des Piloten von z.B. 40° × 220° auszuleuchten, werden in der Regel mehrere Projektoren (z.B. 3, 5 oder mehr Stück) benötigt. Die einzelnen Bilder (Projektionskanäle) müssen durch Edgeblending und Entzerrung so aneinander gefügt werden, dass die Grenzlinien zwischen den einzelnen Projektionskanälen im Idealfall nicht mehr erkennbar sind. Wie anhand der 5.2 gut zu erkennen ist, kann bei einem Projektor der in der Nähe des Krümmungsmittelpunktes angebracht ist, ein größerer Teil des verfügbaren Bildes genutzt werden. Im Resultat liefern die erfindungsgemäßen Vorteile eine höhere Auflösung bei gleichen Projektoren.

Claims

Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung, bestehend aus einem Projektor (2), einem sphärisch geformten Spiegel (3) und einem in der Nähe der Brennebene des Spiegels (3) angeordnetem sphärisch geformten Rückprojektionsschirm (1), wobei dieser durch eine transparente Trägerschicht (41), einer optischen Trennschicht (42) und einer optisch von der Trägerschicht (41) entkoppelten opaken Streuschicht (43) gekennzeichnet ist.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (2) vorzugsweise ein Laserprojektor ist, und so positioniert ist, das er sich in der Nähe des Krümmungsmittelpunktes des Rückprojektionsschirmes (1) befindet.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuschicht (43) des Rückprojektionsschirm (1) aus transluzenten Materialien besteht.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuschicht (43) 100 μm bis 300 μm und in bevorzugter Ausführung 200 μm dick ist.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückprojektionsschirm (1) farbneutral mit gleichen Transmissionskoeffizienten für die drei Hauptfarben (Primärvalenzen) RGB ausgestattet ist.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Trennschicht (42) aus einer Luftschicht (42) mit möglichst gleichmäßig verteilten transparenten Abstandshaltern (44), vorzugsweise in Form von Kügelchen, gebildet wird.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Trennschicht (42) aus einem transparenten Strukturlack mit Mikrostruktureffekt gebildet wird.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückprojektionsschirm (1) und/oder Spiegel (3) torisch geformt sind.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die opake oder transluzente Streuschicht (43) aus einer Folie oder aus einer Kombination mehrerer Folien besteht, von denen mindestens eine Folie eine opake oder transluzente Folie ist.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die opake oder transluzente Streuschicht (43) aus einer Lackschicht mit opaken oder transluzenten Materialien besteht.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach den Ansprüchen 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die opake oder transluzente Streu schicht (43) aus einer Kombination von Folie und opaker oder transluzenter Lackschicht besteht.
Einrichtung zur Bildprojektion in einer Kollimationsanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (41) des Rückprojektionsschirm (1) ein geeignetes Glas ist.
Verfahren zur Bildprojektion geeignet für einen Simulator, dadurch gekennzeichnet, dass im Augenpunkt des Betrachters (4) ein virtuelles Bild erzeugt wird, welches aus Sicht des Betrachters in einem Spiegel (3) wahrgenommen wird, der sich in Kollimationsanordnung hinter einem Projektionsschirm (1) befindet, der näherungsweise ein Lambertstreuer ist, und von einem Projektor (2) mit Laserlicht definierter Kohärenzlänge bestrahlt wird.
Verfahren zur Bildprojektion nach Anspruch 13, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Rückprojektionsschirmes (1), welcher eine transparente Trägerschicht (41), eine optischen Trennschicht (42) und eine optisch von der Trägerschicht (41) entkoppelte opake oder transluzente Streuschicht (43) aufweist.
Verfahren zur Bildprojektion nach Anspruch 14, welches ferner aufweist: Bereitstellen einer Streuschicht (43) aus 100 μm bis 300 μm und in bevorzugter Ausführung 200 μm dicken Folie und/oder Lackschicht, welche es erlaubt, dass eine Kontrastverringerung durch Mehrfachstreuung zwischen Spiegel (3) und Rückprojektionsschirm (1) eingeschränkt wird, um damit ein specklereduziertes Bild zu erzeugen.
Verfahren zur Bildprojektion nach Anspruch 13, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Projektors (2) mit Projektionskopf (5) in der Nähe des Krümmungsmittelpunktes des Rückprojektionsschirmes (1), welcher es erlaubt, dass der Betrachter (4) ein verzerrungsarmes Bild wahrnimmt.
Verfahren zur Bildprojektion nach Anspruch 13, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen von Projektoren nach (2) mit Projektionsköpfen nach (5), jeweils in der Nähe des Krümmungsmittelpunktes zum Rückprojektionsschirm nach (1) befindlich, welche es erlauben, dass die einzelnen Bilder durch Edgeblending und Entzerrung so aneinander gefügt werden, dass die Grenzlinien zwischen den Projektionskanälen nicht mehr erkennbar sind.