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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ablenkvorrichtung für eine Projektionseinrichtung
und ein Bildgebungsverfahren, das mit einer Projektionseinrichtung
durchgeführt
werden kann, die die erfindungsgemäße beinhaltet.
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Ein
Projektionssystem mit Laser zum Darstellen von Bildern ist u.a.
aus der
EP 127998 A1 bekannt.
Ein Laserstrahl wird zeilenweise über eine Projektionsfläche geführt. Währenddessen
wird die Intensität
des Laserstrahls entsprechend den Zeilen des Bildes moduliert. Die
Ablenkung des Laserstrahls erfolgt durch zwei Spiegel, die jeweils
um zwei zueinander orthogonal stehenden Achsen schwenkbar sind.
Der Spiegel, der für
die horizontale Ablenkung, d.h. die Ablenkung innerhalb einer Zeile,
zuständig
ist, wird zu einer harmonischen Schwingung angeregt. Demzufolge
ergibt sich eine sinusförmige Bewegung
des Laserstrahls in horizontaler Richtung. Die vertikale Ablenkung
passiert eine Zeile nach der nächsten
und lässt
den Laserstrahl wieder zu der ersten Zeile zurückspringen, sobald die letzte
Zeile des Bildes projiziert wurde. Das Rückstellen des Laserstrahls
von der letzten zu der ersten Zeile erfordert eine sehr große Beschleunigung
des Spiegels. Dementsprechend müssen
die Antriebseinheit und der Spiegel für die auftretenden mechanischen
Belastungen ausgelegt sein.
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Ein
weiteres Projektionsverfahren mit Laser ist aus der
US 2004/0004585 A1 bekannt.
Der Laserstrahl wird durch Spiegel abgelenkt, deren Drehachsen zueinander
orthogonal sind. Die Auslenkung der Spiegel erfolgt für beide
Spiegel sinusförmig.
Folglich wird der Laserstrahl entsprechend einer Lissajous-Figur über den
Bildschirm geführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 reduziert die mechanischen Belastungen für eine Ablenkeinrichtung,
die für
den Wechsel von einer zur nächsten
Zeile zuständig
ist.
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Die
erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung
beinhaltet:
eine Bilderzeugungseinrichtung, die Bilder als
eine Reihenfolge von Zeilen generiert;
eine Invertierungseinheit,
die die Reihenfolge der Zeilen jedes zweiten Bildes der Bilder invertiert;
eine
Strahlgenerierungseinrichtung, die einen Projektionslichtstrahl
erzeugt und entsprechend einer zu projizierenden Zeile die Intensität des Projektionslichtstrahls
moduliert;
eine erste Ablenkeinrichtung, die um eine erste
Achse harmonisch schwingt,
eine zweite Ablenkeinrichtung, die
um eine zweite Achse eine erzwungene Schwingung ausführt,
wobei
die erzwungene Schwingung eine erste Halbschwingung in eine erste
Richtung und eine zweite Halbschwingung in eine zweite Richtung
aufweist, die Winkelgeschwindigkeit der ersten und zweiten Halbschwingung
gleich und konstant sind und mit der ersten Halbschwingung nicht
invertierte Bilder und mit der zweiten Halbschwingung die invertierten
Bilder darstellt.
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Eine
Maßnahme
der vorliegenden Erfindung ist, den Rücklauf der zweiten Ablenkeinrichtung,
d.h. der Zeilenablenkeinrichtung, zum Darstellen eines weiteren
Bildes oder Halbbildes zu nutzen. Die Winkelgeschwindigkeit, die
die zweite Ablenkeinrichtung erreichen muss, entspricht somit der
zeilenweisen Darstellungsfrequenz. Diese liegt typischerweise im Bereich
zwischen 50 und 100 Hz.
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Eine
zweite Maßnahme
der Erfindung ist es, dass die Winkelgeschwindigkeit der ersten
und zweiten Halbschwingung konstant ist. Hierdurch ergibt sich ein
im Wesentlichen symmetrisch-dreiecksförmiger Verlauf des Ablenkwinkels
durch die zweite Ablenkeinrichtung. Die konstante Winkelgeschwindigkeit
stellt sicher, dass der Laserstrahl oder andere Lichtstrahl gleichmäßig über eine
Projektionsfläche geführt wird.
Dies erspart vorteilhafterweise die Verwendung von Korrekturmechanismen,
die entweder das Bild an auftretende Verzerrungen anpassen oder nachträglich durch
optische Maßnahmen
Verzerrungen des Bildes ausgleichen.
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Die
Erfindung schafft ferner ein Bildgebungsverfahren mit einem Projektionslichtstrahl,
das die Merkmale des Patentanspruchs 5 aufweist. Dabei werden Bilder
jeweils als eine vorgegebene Reihenfolge von Zeilen bereitgestellt.
Zwei Bilder werden zu einem Bilderpaar zusammengefasst, wobei die
Reihenfolge der Zeilen des zweiten Bildes invertiert wird. Der Projektionslichtstrahl
wird entsprechend einer Zeile moduliert. Eine erste Ablenkeinrichtung
lenkt den Projektionslichtstrahl um eine erste Achse ab, um jeweils
eine Zeile eines der Bilder zu projizieren. Eine zweite Ablenkeinrichtung
lenkt den Projektionslichtstrahl um eine zweite Achse mit einer
konstanten Winkelgeschwindigkeit in eine erste Richtung ab, um aufeinander
folgende Zeilen des ersten Bildes des Bildpaares zu projizieren,
und lenkt den Projektionslichtstrahl um die zweite Achse mit der
konstanten Winkelgeschwindigkeit ab, um aufeinander folgende Zeilen
des zweiten Bildes des Bildpaares zu projizieren.
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Die
erste und die zweite Achse können
zueinander senkrecht sein. Die erste und die zweite Richtung sind
zueinander entgegengesetzt.
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Die
Wiederholungsrate der harmonischen Schwingung ist größer als
die Wiederholungsrate der erzwungenen Schwingung.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und mit den beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Projektionsschema zur Erläuterung
des Hintergrunds der Technik;
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2 zeigt
eine zu 1 zugehörige vertikale Ablenkung;
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3 erläutert ein
Projektionsschema gemäß einer
Ausführungsform;
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4 illustriert
eine vertikale Ablenkung in Zusammenhang mit 3; und
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5 illustriert
die Ausführungsform
in Zusammenhang mit den 3 und 4.
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Ausführungsform der Erfindung
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In
Zusammenhang mit den 1 und 2 wird eine
kurze Darstellung eines Verfahrens zur Projektion eines Bildes zur
Erläuterung
einer nachfolgend beschriebenen Ausführungsform angegeben.
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Es
werden aufeinander folgende Bilder 1, 2 dargestellt.
Diese liegen als zeilenweise Informationseinheit in einem Datenspeicher
bereit. Ein Laserstrahl wird über
eine Projektionsfläche
gemäß den Zeilen 3 geführt. Dabei
wird die Intensität
des Laserstrahls derart geschaltet oder moduliert, dass der Informationsgehalt
der entsprechenden Zeile 3 auf der Projektionsfläche erscheint.
Nacheinander werden alle Zeilen 3 des Bildes in ihrer vorgegebenen
Reihenfolge projiziert. Diese Projektion der dargestellten Zeilen 4 erfolgt
mit einer Geschwindigkeit, die das zeitliche Auflösungsvermögen des
menschlichen Auges überschreitet.
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Das
nächste
nachfolgende Bild 2 wird in gleicher Weise wie das vorhergehende
Bild 1 dargestellt. In der Zwischenzeit 5, zwischen
der Darstellung der beiden Bilder 1 und 2, wird
der Projektionsstrahl von der Position der letzten Zeile in die
Position der ersten Zeile zurück
abgelenkt. Der sich dabei ergebende Verlauf des Ablenkungswinkels θ über die
Zeit t ist in 2 dargestellt. In dem Zeitraum 4 zwischen
dem Zeitpunkt t0, d.h. der Darstellung der ersten Zeile, und dem
Zeitpunkt t1, d.h. der Darstellung der letzten Zeile, ändert sich
der Winkel θ mit
einer moderaten Winkelgeschwindigkeit. Bei der Rückführung 5 des Laserstrahls
der letzten Zeile zu der ersten Zeile bis zu dem Zeitpunkt t2 ist
die Winkelgeschwindigkeit typischerweise um das 50- bis 100-fache
größer als
in dem Abschnitt 4. Dies ist dadurch bedingt, dass das Rückführen während einer Zeitspanne
erfolgen soll, die der Darstellung von möglichst wenigen Zeilen entspricht,
wie in 1 angedeutet.
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Eine
Ausführungsform
wird nun nachfolgend mit den 3 bis 5 erläutert.
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Das
Projektionsschema der Ausführungsform
ist in 3 dargestellt. Beispielhaft sollen zwei aufeinander
folgende Bilder 10, 11 auf einem Projektionsschirm
dargestellt werden. Das erste Bild 10 und das zweite Bild 11 bilden
zusammen ein Bildpaar. Aus den nachfolgenden Ausführungen
wird ersichtlich, dass sich weitere Bildpaare an das erste dargestellte
Bildpaar 10, 11 anschließen können.
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Das
Projektionsschema beginnt mit dem ersten Bild 10. Der Projektionsstrahl,
z.B. Laserstrahl, tastet eine Zeile 13 nach der anderen
ab. Hierbei beginnt er bei der obersten oder ersten Zeile des Bildes 10.
Hierbei wird die vorgegebene Reihenfolge der Zeilen 13 des
Bildes 10 eingehalten. Die Gesamtheit 14 der dargestellten
Zeilen 13 ergeben somit das Bild 10.
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Das
zweite Bild des Bildpaares wird in umgekehrter Reihenfolge projiziert.
Dabei wird mit der untersten oder letzten Zeile begonnen.
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Ein
Rückstellen
des Laserlichtstrahls von der untersten zu der obersten Zeile bei
einem Bildwechsel erfolgt nicht.
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In 4 ist
schematisch der Verlauf des Winkels über die Zeit t aufgetragen.
Die Darstellung der Gesamtheit 14 aller Zeilen des ersten
Bildes 10 erfolgt mit einer ersten konstanten Winkelgeschwindigkeit
zwischen den Zeitpunkten t4 und t5. Die Darstellung des zweiten
Bildes 11 mit seiner Gesamtheit 15 aller Zeilen
erfolgt ebenfalls mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit zwischen
den Zeitpunkten t5 und t6. Dadurch ergibt sich das im Wesentlichen symmetrisch-dreiecksförmige Muster
des Verlaufs des Winkels θ über die
Zeit t, wie in 4 dargestellt.
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In 5 ist
der schematische Aufbau der Ausführungsform
der Projektionseinrichtung dargestellt. Eine Lasereinheit 20 emittiert
einen Laserstrahl 21 auf einen ersten Spiegel 22,
der den Laserstrahl 21 auf einen zweiten Spiegel 23 ablenkt,
welcher schließlich
den Laserstrahl in Richtung einer Projektionsfläche 24 umlenkt. Die
erste Achse 25 und die zweite Achse 26 sind vorzugsweise
zueinander orthogonal, so dass z.B. der erste Spiegel 22 für eine horizontale
Ablenkung und der zweite Spiegel 23 für eine vertikale Ablenkung
des Laserstrahls 21 zuständig ist.
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Vorzugsweise
wird der erste Spiegel 22 harmonisch angeregt. Der zweite
Spiegel 23 wird entsprechend dem in 4 gezeigten
Winkelverlauf über
die Zeit um die Achse 26 verkippt.
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Die
Bilddaten werden von einer Bildgenerierungseinrichtung 35 bereitgestellt
und aufbereitet. Typischerweise liegen die Bilddaten als Matrix
mit Zeilen und Spalten vor. Ein erstes Bild wird der Lasereinheit 20 zugeführt. Die
Lasereinheit 20 moduliert die Intensität des Laserlichtstrahls 21 entsprechend den
zugeführten
Bilddaten.
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Ein
zweites Bild wird von der Bildgenerierungseinrichtung zunächst durch
einen Puffer 28 geleitet. Die Reihenfolge der Bildzeilen
wird in diesem Puffer 28 invertiert, d.h. die erste Zeile
wird zur letzten Zeile, die zweite Zeile zur vorletzten Zeile, etc.. Das
auf diese Weise invertierte Bild wird von dem Puffer 28 der
Lasereinheit 20 zugeführt.
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Eine
Synchronisationseinheit 29 sorgt dafür, dass ein nicht invertiertes
Bild der Lasereinheit 20 zugeführt wird, wenn sich der zweite
Spiegel 23 in eine erste Richtung dreht, z.B. den Laserstrahl
von oben nach unten über
die Projektionsfläche 24 führt. Ein zweites,
d.h. irvertiertes Bild wird der Lasereinheit 20 zugeführt, wenn
sich der Spiegel 23 in die entgegengesetzte zweite Richtung
dreht, in dem vorgenannten Beispiel von unten nach oben. Die Zuführung der nicht
invertierten bzw. invertierten Bilddaten kann durch eine Multiplexer-Einrichtung 31 erfolgen,
welche durch eine Synchronisationseinheit 29 gesteuert ist.
Die Synchronisationseinheit 29 ist mit der Bildgenerierungseinheit 27 gekoppelt.
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Zwei
aufeinander folgend dargestellte Bilder können zwei unterschiedliche
Bilder sein. Bei einem anderen Schema sind die beiden aufeinander
folgenden Bilder zwei Halbbilder. Hierbei stellt das erste Bild
alle ungeraden Zeilen und das zweite Bild alle geraden Zeilen dar.
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Bei
dem Wechsel von dem ersten zu dem zweiten Bild für Synchronisationszwecke werden
ein oder zwei Leerzeilen eingefügt
werden. Diese Leerzeilen können
auch verwendet werden, damit ungerade Zeilen immer von links nach
rechts dargestellt werden und gerade Zeilen von rechts nach links
oder vice versa.
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Alternativ
können
die Leerzeilen jedoch auch vollständig vermieden werden. Bei
einer ungeraden Gesamtzahl von Zeilen pro Bild wechseln dann die Zeilen,
welche von rechts nach links bzw. links nach rechts geschrieben
werden.
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Der
zweite Spiegel 23 wird vorzugsweise kontinuierlich bewegt.
Dies führt
dazu, dass der Laserstrahl langsam nach unten bzw. nach oben abgelenkt
wird, während
die Lasereinrichtung 20 zusammen mit dem ersten Spiegel 22 eine
horizontale Zeile auf der Projektionsfläche 24 darstellt.
Die Zeile weist somit eine geringfügige Verkippung gegenüber der Horizontalen
auf. Die typische Neigung beträgt
jedoch nur etwa 1 mrd. Eine solche Neigung ist von einem Betrachter
des Bildes nahezu nicht wahrnehmbar.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt.
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Insbesondere
ist das Projektionssystem nicht auf ein Laserprojektionssystem beschränkt, sondern
kann auch für
andere Projektionssysteme, z.B. Mikrobeamer, verwendet werden.
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Anstelle
zweier getrennter Spiegel, die um zwei unterschiedliche Achsen drehbar
sind, kann ein einziger Spiegel verwendet werden, der um diese beiden
Achsen gelagert und somit drehbar ist.