DE102007011425A1

DE102007011425A1 - Projektionsvorrichtung zum scannenden Projizieren

Info

Publication number: DE102007011425A1
Application number: DE102007011425A
Authority: DE
Inventors: Thilo Sandner; Harald Schenk; Michael Scholles; Markus Schwarzenberg; Alexander Wolter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-09-11
Also published as: CN101261425A; US20080218835A1; US7847997B2; CN101261425B

Abstract

Eine Projektionsvorrichtung zum scannenden Projizieren eines Bildes auf ein Bildfeld 22 mittels eines Strahlungsstrahls 18 umfasst eine Einrichtung 14 zum Modulieren einer Intensität i des Strahlungsstrahls 18 derart, dass sich die Intensität i des Strahlungsstrahls 18 in einem Zeitintervall T<SUB>Pixel</SUB> ändert, währenddessen ein Abtastpunkt, auf den der Strahlungsstrahl 18 gerichtet ist, ein Pixel des Bildfeldes 22 überstreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Projektionsvorrichtung und insbesondere auf ein Graustufen-Modulationsverfahren für Projektionslaser.
Für die Projektion von Bildern werden entweder parallele Verfahren, wie es beispielsweise bei LCDs (LCD = liquid crystal display) oder bei Mikrospiegelarrays der Fall ist, oder scannende bzw. abtastende Verfahren eingesetzt, wie sie beispielsweise durch einen biaxial beweglichen oder zwei uniaxial bewegliche Spiegel realisiert werden. Bei den parallelen Verfahren sind nachteilhafterweise eine vergleichsweise große Substratfläche bei der Herstellung und ferner eine komplexe Testprozedur erforderlich. Beides resultiert in einem vergleichsweise hohen Preis für Projektoren des parallelen Typs, so dass parallel arbeitende Verfahren für einen low-cost-Projektionsapparat nicht in Frage kommen.
Bei den scannenden Verfahren umfassen die Projektoren einen oder zwei bewegliche Spiegel, die eine Ablenkung eines Lichtstrahls um zwei Ablenkachsen bzw. eine zweidimensionale Ablenkung des Lichtstrahls ermöglichen. Durch die Ablenkung wird ein durch den Lichtstrahl erzeugter Lichtpunkt auf dem Bildfeld bewegt, wobei währenddessen die Intensität des Lichtstrahls auf dem Bildfeld moduliert wird und von dem augenblicklichen Projektionsort des Lichtpunktes abhängig ist.
Somit erfolgt eine Darstellung des gewünschten Bildinhalts derart, dass eine Lichtquelle entsprechend den Bildpunktdaten des darzustellenden Bildes moduliert wird. Die Modulation erfolgt dabei beispielsweise über eine Veränderung der Amplitude, wobei ein Amplitudenwert des Lichtstrahls entsprechend der Helligkeit des darzustellenden Punktes ange passt wird. Um möglichst viele Grauabstimmungen zu erreichen, sollte der Laser kontinuierlich bzw. quasi stufenlos in seiner Amplitude modulierbar sein.
Projektionssysteme lassen sich kostengünstig und mit geringem räumlichen Bedarf realisieren, wenn beispielsweise ein Mikroscannerspiegel-basiertes Lasersystem verwendet wird. Ein Beispiel für ein solches Lasersystem ist in US 6843568 beschreiben. Dabei wird aus einer oder mehreren Laserquellen emittiertes Licht mittels eines um zwei Achsen schwingenden Mikro-Spiegels abgelenkt und auf eine Projektionsfläche bzw. auf ein Bildfeld projiziert.
Ein Hauptparameter scannender Projektionssysteme ist das benutzte Scan-Verfahren. Die wichtigsten Scan-Verfahren sind linearer Scan und resonanter Scan, wobei auch Zwischenformen möglich sind, aber selten genutzt werden. Da das Scan-Verfahren für beide Achsen, um die das emittierte Licht abgelenkt wird, getrennt gewählt werden kann, lassen sich scannende Projektionssysteme in drei Gruppen einteilen:

1. Systeme mit linearem Scan für beide Projektionskoordinaten
2. Systeme mit linearem Scan für eine und resonantem Scan für die andere Projektionskoordinate
3. Systeme mit resonantem Scan für beide Projektionskoordinaten.

Bei Systemen mit linearen Scan beruht die Projektion auf einer spalten- und zeilenhaften Darstellung des Bildes. Um diese spalten- und zeilenhafte Darstellung zu ermöglichen, ist bei diesen Systemen die Zeilenfrequenz, d. h. die Frequenz der Ablenkung des Lichtstrahls bzw. des Lichtpunktes in horizontaler Richtung, groß gegenüber der Spaltenfrequenz, d. h. der Frequenz der Ablenkung des Lichtstrahls entlang der vertikalen Richtung. Das Verhältnis dieser Frequenzen zueinander legt die Anzahl der auflösbaren Zeilen fest und kann nur durch ein sogenanntes Interlace-Verfahren erhöht werden, bei dem abwechselnd zunächst alle geradzahligen Zeilen und dann alle ungeradzahligen Zeilen eines Bildes abgetastet bzw. dargestellt werden.
Bei mikromechanisch gefertigten scannenden Projektoren bzw. Scannern stellt das Erreichen von niedrigen Eigenfrequenzen bzw. Resonanzfrequenzen ein prinzipielles Problem dar, da mit der Eigenfrequenz die mechanische Stabilität des Systems sinkt. Wenn die vertikale Auslenkung in Resonanz bzw. resonant erregt werden soll, müssen der bzw. die Ablenkspiegel daher mit einer entsprechend noch größeren horizontalen Frequenz betrieben werden. Alternativ muss die vertikale Auslenkung im quasi statischen Betrieb durchgeführt werden, um die horizontale Auslenkung resonant erzeugen zu können. In dem Fall einer resonanten vertikalen Spaltenauslenkung des Lichtstrahls besteht ein Problem darin, dass die horizontale Zeilenfrequenz groß gegenüber einer ohnehin großen resonanten Spaltenfrequenz sein muss. Die dabei auftretenden großen horizontalen Ablenkfrequenzen rufen dynamische Deformationen der Spiegelplatte hervor, was zu Auflösungsproblemen bei der Projektion führt. Im Fall der quasi statischen vertikalen Spaltenauslenkung sind sehr hohe Betriebsleistungen erforderlich, die eine Miniaturisierung der Ansteuerung der Ablenkeinheit bzw. der Spiegel unmöglich oder die Ablenkeinheit sehr teuer machen. Diese Probleme können auch nicht durch Verringerung beider Frequenzen beseitigt werden, da die Spaltenfrequenz bzw. vertikale Frequenz die Bildwiederholfrequenz bestimmt, und eine zu niedrige Bildwiederholfrequenz zu einem Flackern des Bildes führt.
6 zeigt eine schematische Darstellung für einen linearen Scan. Die Projektionsfläche, auf der das Bild dargestellt wird, ist beispielsweise in der xy-Ebene und ist durch eine rechte Kante 40a, eine linke Kante 40b, eine untere Kante 40c und eine obere Kante 40d begrenzt. Ein Lichtstrahl bzw. ein Laser 41 fängt beispielsweise in einem Anfangspunkt A in der rechten oberen Bildecke an und die Projektion des Bildes erfolgt durch eine Bewegung des Lichtstrahls 41 mittels des dargestellten Musters. Der Lichtstrahl bewegt sich somit zunächst von der rechten Bildkante 40a zu der linken Bildkante 40b, wobei nur eine Bewegung entlang der x-Koordinate erfolgt, daran anschließend bewegt sich der Lichtstrahl 41 zu einer nächsten Zeile, d. h. er bewegt sich zurück zur rechten Bildkante 40a, wobei jedoch der y-Wert derart verändert wird, dass der Lichtstrahl 41 in einer folgenden Zeile des darzustellenden Bildes erscheint. Von der rechten Bildkante 40a bewegt sich der Längsstrahl wieder parallel zur unteren Bildkante 40c hin zur linken Bildkante 40b. Das Muster setzt sich entsprechend fort bis der Lichtstrahl 41 das gesamte Bild zeilenweise dargestellt hat und ein Endpunkt E erreicht ist.
Bei einem linearen Scan erfolgt die Ablenkung des Lichtstrahls oder des Lasers 41 in der jeweiligen Projektionsrichtung zeitlinear. Damit werden alle Bildpunkte mit gleicher Zeitdauer projiziert. Dies ermöglicht ein besonders einfaches Auslesen der Bildprojektionsdaten und eine unkomplizierte, von der Position des jeweiligen Bildpunktes unabhängige Modulation. Gleichzeitig werden aber an das Ablenksystem hohe Anforderungen bezüglich dessen Linearität gestellt. Dies bedeutet, dass der Lichtstrahl 41 sich genau entlang der Zeilenlinie (d. h. parallel zur x-Richtung) bewegt und sich mit möglichst konstanter Geschwindigkeit entlang der Zeilen bewegt, so dass der Lichtstrahl zu fest vorgeschriebenen Zeitpunkten die linke Bildkante 40b erreicht. Die Ansteuerung der Ablenkeinheit erfordert, wie in 6 gezeigt, ein Sägezahn- oder Dreieck-Signal, d. h. ein stark oberwellenhaltiges Signal. Wie bereits detailliert erläutert, unterscheidet sich die Frequenz mit der der Spiegel den Lichtstrahl entlang der x-Richtung ablenkt und die Frequenz mit der der Spiegel den Lichtstrahl 41 entlang der y-Richtung ablenkt in der Regel beträchtlich und sind durch die Anzahl der dargestellten Zeilen des Bildes bzw. die Wiederholfrequenz des Bildes innerhalb einer Sekunde gegeben. Diese Frequenzen sind in der Regel von außen vorgegeben und richten sich nicht nach entsprechenden Resonanzfrequenzen für die Ablenkungen des Spiegels in den beiden Richtungen der xy-Ebene. Die Ansteuerung des mechanischen Systems erfolgt somit entgegen des Resonanzverhaltens, was einen relativ hohen energetischen Aufwand bedeutet.
Bei resonantem Scan erfolgt die Ablenkung des Lasers 41 nach einer Sinus-Funktion, wobei die Frequenz beispielsweise an das Resonanzverhalten des Spiegels angepasst sein kann. Da sich in diesem Fall der Laser 41 nicht mit konstanter Geschwindigkeit über die Projektionsfläche bewegt, sind die Projektionsdauern der Bildpunkte daher positionsabhängig. Bei Systemen mit resonantem Scan für beide Projektionskoordinaten kann zudem die Abdeckung aller Bildpunkte beispielsweise durch die Realisierung einer Lissajous-Figur mit hoher Wiederholzeit erzielt werden. Große Wiederholzeiten bedeuten dabei ein großes kleinstes gemeinsame Vielfache für die Koordinaten-Projektionsfrequenzen. Bei diesem Verfahren wird jedoch das Auslesen der Bildprojektionsdaten verkompliziert.
Die ungleichmäßigen Pixel-Modulationszeiten, die beispielsweise eine Folge unterschiedlich langer Projektionsdauern der Bildpunkte in Abhängigkeit von der Position sind, erfordern eine im Folgenden näher erläuterte Anpassung der (Laser-)Modulation. Wie bereits beschrieben, ist es bei einem resonanten Scan vorteilhaft, die Ansteuerung des Systems mittels reiner Sinus-Signale vorzunehmen. Abgesehen davon, dass reine Sinus-Signale spektral gesehen ideal sind, können dadurch die mechanischen Resonanzeigenschaften der Ablenksysteme ausgenutzt werden, um eine energetische Optimierung zu erreichen.
Die Modulation bei einem doppelt resonantem Scan kann beispielsweise wie folgt geschehen. Bei der Projektion eines aus einem rechteckigen Pixelraster aufgebauten Bildes mittels eines Lasers wird die Laserquelle während des gesamten Überstreichens der Fläche eines Pixels (= Zeitdauer T_Pixel) mit einer konstanten Leistung betrieben, so dass über diesen Zeitraum integral die Energie E_Pixel (Lichtmenge) des darzustellenden Bildpunktes abgestrahlt wird. Da die Helligkeit des Bildpunktes kontinuierlich variieren kann, ist es dazu wünschenswert, die Laserleistung analog bzw. sehr feinstufig zu modulieren.
5 zeigt ein Beispiel für eine konventionelle Amplitudenmodulation. Auf der linken Seite ist ein Bild, welches 16 Pixel aufweist, dargestellt. Bis auf ein Pixel A und ein Pixel B sind alle weiteren Pixel weiß. Das Pixel A weist eine hellere Graustufe und das Pixel B eine dunklere Graustufe auf. Der Laserstrahl 41 erreicht das Pixel A zu einem ersten Zeitpunkt T₁ und überstreicht das Pixel A bis zu einem zweiten Zeitpunkt T₂. Das Pixel B wird in einem Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitpunkt T₂ und einem dritten Zeitpunkt T₃ überstrichen. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Laserstrahls 41 und in Abhängigkeit der Pixelgröße, kann die Überstreich-Zeitdauer oder die Verweildauer T_Pixel des Laserstrahls 41 für den jeweiligen Pixel variieren.
Die rechte Seite der 5 zeigt wie die Leistung des Lasers i_Laser entsprechend variiert wird, um das Bild auf der linken Seite in 5 darzustellen. Bis zu dem ersten Zeitpunkt T₁ strahlt der Laser mit einer konstanten maximalen Leistung i_max, die den weißen Pixeln entspricht. Zum ersten Zeitpunkt T₁, an dem der Laserstrahl 41 den Pixel A erreicht, wird die Leistung des Lasers von dem Wert i_max herabgesetzt auf einen Wert i₁. Zwischen dem ersten Zeitpunkt T₁ und dem zweiten Zeitpunkt T₂, während der Laser den Pixel A überstreicht, strahlt der Laser konstant mit der ersten Intensität i₁. Zum zweiten Zeitpunkt T₂ erreicht der Laserstrahl den Pixel B und die Leistung des Laserstrahls wird von i₁ herabgesetzt auf einen weiteren Wert i₂. Die zweite Intensität i₂ des Lasers bleibt wiederum konstant bis zu dem dritten Zeitpunkt T₃, bei dem der Laserstrahl den Pixel B verlässt.
Da hier angenommen wird, dass die Zeitpunkte T₁, T₂ und T₃ sich in einem gleichen oder nahezu gleichen Abstand zueinander befinden und da die zweite Intensität i₂ niedriger ist als die erste Intensität i₁, ist der entsprechende Pixel B dunkler als der Pixel A. Ab dem dritten Zeitpunkt T₃ strahlt der Laser wiederum mit der maximalen Leistung i_max, so dass der Folgepixel wieder einen weißen Bildpunkt entspricht. Die Helligkeit, mit der ein Bildpunkt oder ein Pixel auf einem Bildfeld erscheint, entspricht der Licht- oder der Energiemenge, die der Laser während der Überstreich-Zeitdauer T_Pixel überträgt und kann wie folgt berechnet werden: Lasermodulation: TPixel·iLaser = EPixel,wobei i_Laser konstant ist in dem Intervall [T₁, T₂] und T_Pixel = T₂ – T₁ = T₃ – T₂ angenommen wird.
Somit erfolgt bei konventionellen Laser-Projektionssystemen die Helligkeitsmodulation nur über Graustufen des Lasers. Um ein realistisches Bild projizieren zu können, sollte die Amplitude des Lasers (und somit die Strahlungsintensität) analog bzw. sehr feinstufig regulierbar sein. Dies ist jedoch häufig nicht oder nur mit hohem Aufwand technologisch realisierbar. Ein technisches Problem ergibt sich insbesondere deshalb, da die Überstreich-Zeitdauer T_Pixel je nach Auflösung nur im Bereich von wenigen Nanosekunden liegen kann. Das macht die Verwendung von quasi stufenlos amplitudenmodulierbaren Lasern mit einer Modulationsfrequenz von einigen 100 MHz notwendig.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsvorrichtung und ein Verfahren zum scannenden Projizieren eines Bildes zu schaffen, die eine Projektion von qualitativ guten Bildern auch ohne die Notwendigkeit von feinstufig regulierbaren Lichtquellen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 20 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Projektionsvorrichtung zum scannenden Projizieren eines Bildes auf ein Bildfeld mittels eines Strahlungsstrahls bzw. Lichtstrahls trotz Grobstufigkeit der Lichtintensitätsteuerung dadurch erhalten werden kann, dass eine Einrichtung zum Modulieren eine Intensität des Lichtstrahls derart ändert, dass sich die Intensität des Lichtstrahls in einem Zeitintervall T_Pixel ändert, währenddessen ein Abtastpunkt, auf den der Strahlungsstrahl 18 gerichtet ist, ein Pixel des Bildfeldes (22) überstreicht. Während des Zeitintervalls kann sich die Intensität des Lichtstrahls beispielsweise binär, bezüglich mehrerer Pegelstufen (stufenweise) oder auch kontinuierlich ändern.
Ein Laser kann zur Erzeugung des Lichtstrahls eingesetzt werden. Allerdings sind andere Strahlungsquellen ebenfalls möglich. Die Helligkeitsmodulation erfolgt jedoch nicht nur über Graustufen des Lasers, sondern umfasst beispielsweise, dass der Laser während des Oberstreichens der Fläche des Pixels in der Zeitdauer T_Pixel nicht dauerhaft, sondern nur binär getastet wird, unter Anpassung der Impulsdauer bzw. des Tastverhältnisses. Für die beispielhafte binäre Abtastung, bei der der Laser zwei Zustände, einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand, aufweist, ist die Impulsdauer dabei vorzugsweise so gewählt, dass das Produkt t_ON*i der abzutastenden Pixelenergie E_Pixel entspricht, wobei t_ON der Zeitdauer entspricht, während der der Laser in dem Ein-Zustand ist.
Bei einem binär-modulierten Laser werden nur zwei Zustände bzw. Lichtintensitätspegel, nämlich Null und i_max,Pixel, unterschieden, so dass eine Helligkeitsanpassung nur über eine Zeitdauer, in der der Laser in dem Ein-Zustand ist, eingestellt wird. Vorzugsweise wird dabei der Ein-Zustand in der Mitte des Zeitintervalls T_Pixel angeordnet. Die Helligkeit des Bildpunktes ergibt sich somit aus der Formel: Lasermodulation: ton,Pixel·imax = EPixel
Unter Verwendung einer mathematischen Formulierung beschreibt die vorliegende Erfindung eine Projektionsvorrichtung, bei der eine zeitliche Ableitung der Intensität des Lichtstrahls ein Maximum aufweist und zwar derart, dass das Maximum im Inneren des Zeitintervalls T_Pixel liegt. Die Maxima in der zeitlichen Ableitung entsprechen einem Wendepunkt in der Intensität und bei Ausführungsbeispielen weist die Intensität des Lichtstrahles als eine Funktion in der Zeit zumindest zwei Wendepunkte in dem Zeitintervall T_Pixel aufweist, so dass zwischen den zwei Wendepunkten ein Maximum der Intensität ist. Vorzugsweise befinden sich an beiden Rändern des Zeitintervalls T_Pixel lokale Minima der Intensität. Ferner wird eine Lichtmenge, die während des Zeitintervalls übertragen wird, vorzugsweise derart eingestellt, dass die Lichtmenge der Helligkeit des darzustellenden Bildpunktes entspricht.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist die Projektionsvorrichtung eine Ablenkvorrichtung mit beispielsweise zwei Spiegel auf, so dass der Lichtstrahl in beiden Richtungen des Bildfeldes abgelenkt werden kann. Wie erwähnt ist der Lichtstrahl beispielsweise ein Laserstrahl, der von einem Lasersystem ausgestrahlt und über die beispielhafte Ablenkvorrichtung das Bild auf dem Bildfeld projiziert wird. Als Lasersystem kann beispiels weise ein gepulster Laser verwendet werden, so dass mit der Anzahl der Impulse, die in dem Zeitintervall T_Pixel übertragen werden, die Intensität und damit die Helligkeit des Bildpunktes eingestellt werden kann.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird eine binärmodulierte Lichtquelle mit einer Amplitudenmodulation kombiniert werden, so dass nicht nur zwei Zustände (Ein/Aus), sondern auch eine langsamere und stetig ansteigende Intensität des Lichtstrahls realisiert werden kann. Bei dieser Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer mehrstufigen Helligkeitsmodulation wird der Laser während des Überstreichens eines Pixels mit zeitlich veränderlicher Intensität so moduliert, dass vorzugsweise integral eine abzustrahlende Energie des Bildpunktes erreicht wird. Diese Bedingung ist durch folgende Formel ausgedrückt:
Mittels dieser Variante kann das System hinsichtlich der Anforderung an maximale Laser-Modulationsfrequenz und benötigte Laser-Graustufenanzahl optimiert werden. Die Helligkeitsmodulation des Lasers kann dabei beispielsweise durch eine bekannte Amplitudenmodulation erfolgen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden weitere Laser-Modulations-Kurven, die mittels des Kombinationsverfahrens realisiert werden, erreicht. Dies umfasst beispielsweise eine Ansteuerung mit nicht konstanter, zeitlich frei variierender Amplitude innerhalb des Pixels bzw. innerhalb des Zeitintervalls T_Pixel. Ein anderes Beispiel für eine solche Kombination ist eine Ansteuerung mit zeitdiskret stufenweise variierender Amplitude innerhalb des Pixels.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird nicht nur ein beispielhaftes Lasersystem, welches in einer bestimmten Wellenlänge und damit Farbe arbeitet, sondern eine Kombination von Systemen, die mit verschiedenen Farben arbeiten, ausgeführt. Mit beispielsweise drei Lasersysteme in den drei Grundfarben lassen sich mehrfarbige Bilder projizieren, so dass jedes Lasersystem ein Teilbild mit der entsprechenden Farbe gleichzeitig auf das Bildfeld jeweils projiziert. Es können aber auch mehrere Systeme in gleicher Farbe bzw. gleicher Wellenlänge überlagert werden, um dadurch beispielsweise eine erhöhte Bildwiederholfrequenz zu erreichen.
Bei der binären Modulation wird die Intensität des Lasers in zwei Stufen verändert. Es sind jedoch auch mehrstufige Modulationen möglich, z. B. eine drei- bzw. vierstufige Änderung der Intensität.
Die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren sind im Vergleich zum Stand der Technik dahingehend von Vorteil, dass ein binärmodulierbarer Laser verwendet werden kann, der eine entsprechend hohe Modulationsfrequenz aufweist. Es können aber auch gepulste Laser verwendet werden, die mit sehr hohen Pulsfrequenzen verfügbar sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgen Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 einen vorbestimmten Verlauf, den der Lichtstrahl der Projektionsvorrichtung von 1 auf einem Bildfeld beschreibt, falls das Verhältnis der beiden Ablenkfrequenzen 50:51 beträgt;
3 eine binäre Modulation des Lichtstrahls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4A bis 4D eine Modulation mittels Kombinations-Verfahrens gemäß Ausführungsbeispielen;
5 eine konventionelle Helligkeitsmodulation; und
6 eine vorbestimmten Verlauf, den der Lichtstrahl bei einem linearen Scan beschreibt.
Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleich wirkende Elemente in den Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Bezug nehmend auf 1 wird zunächst der Aufbau einer Projektionsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung von 1 wie auch bei den anderen Figuren zur besseren Verständlichkeit nicht maßstabsgerecht ausgeführt ist. Ferner bezieht sich 1 auf eine Projektionsvorrichtung zur monochromen Darstellung eines Bildes, obwohl die vorliegende Erfindung ferner auf Projektionsvorrichtungen anwendbar ist, die farbige Darstellungen eines Bildes liefern.
Die Projektionsvorrichtung von 1 umfasst einen Laser 10, eine Ablenkeinrichtung 12 und eine Aufbereitungs- und Modulationseinheit 14. Die Aufbereitungs- und Modulationseinheit 14 empfängt an einem Eingang Eingangsbilddaten, die das zu projizierende Bild darstellen, und ist über einen Ausgang mit einem Steuereingang des Lasers 10 verbunden, um an denselben ein digitales Steuersignal 16 zu senden, durch welches die Intensität eines von dem Laser 10 ausgesendeten Laserstrahls 18 moduliert wird, wie es schematisch durch einen dem Verlauf des Steuersignals 16 entsprechenden Intensitätsverlauf 20 dargestellt ist. Die Modulation geschieht dabei wie oben beschrieben durch ein Verändern der Intensität innerhalb des Zeitintervalls T_Pixel. Der Laserstrahl 18 wird durch die Ablenkeinrichtung 12 auf bzw. in Richtung eines Bildfeldes 22 abgelenkt, wobei die Ablenkeinrichtung eine zweidimensionale Ablenkung des Lichtstrahls 18 ermöglicht. Der abgelenkte Laserstrahl ist mit 18' angezeigt.
Die Ablenkeinrichtung 12 umfasst in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen mikromechanisch hergestellten, biaxial aufgehängten Spiegel 24, wobei alternativ jedoch auch zwei mikromechanisch hergestellte, uniaxial aufgehängte Spiegel verwendet werden könnten. Der biaxial aufgehängte Spiegel 24 besteht aus einer rechteckigen Spiegelplatte 26 sowie einem rechteckigen Rahmen 28. Um die biaxiale Aufhängung und damit eine Drehung der Spiegelplatte 26 um zwei Achsen zu ermöglichen, ist die rechteckige Spiegelplatte 26 über eine erste Ablenkachse 30 zentriert an dem Rahmen 28 aufgehängt bzw. drehbar gelagert. Senkrecht zur ersten Ablenkachse 30 ist der Rahmen 28 zentriert an einer zweiten Ablenkachse 32 drehbar gelagert, die senkrecht zur ersten Ablenkachse 30 verläuft. An den Aufhängungen entlang der beiden Ablenkachsen 30 und 32 erfährt der biaxial aufgehängte Spiegel Rückstellkräfte bei Auslenkungen um die Achsen 30 bzw. 32 um eine Ruhelage, weshalb derselbe Eigen- bzw. Resonanzfrequenzen bezüglich der beiden Achsen 30 und 32 aufweist.
Die Ablenkeinrichtung 12 umfasst ferner eine Ansteuerung (nicht gezeigt), um den biaxial aufgehängten Spiegel 24 in Schwingungen um die Ablenkachsen 30 und 32 zu versetzen, wodurch der Lichtstrahl 18 um die erste Ablenkachse mit einer ersten Ablenkfrequenz f₁ und um die zweite Ablenkachse 32 mit einer zweiten Ablenkfrequenz f₂ abgelenkt wird. Beide Ablenkfrequenzen f₁ und f₂ sind auf Frequenzen in der Nähe ihrer Eigenfrequenzen eingestellt und unterscheiden sich lediglich geringfügig von diesen. Zudem sind die Ablenkfrequenzen f₁ und f₂ derart eingestellt, dass sie ein gebrochenrationales Verhältnis aufweisen. Die maximalen Ablenkungen bzw. die Umkehrpunkte der Schwingungen um die beiden Ablenkachsen 30 und 32 definieren ein Raumwinkelsegment 34, innerhalb dessen sich der abgelenkte Strahl 18' bewegt und das das Bildfeld 22 aufspannt. Aufgrund der Ablenkfrequenzen beschreibt ein durch den abgelenkten Laserstrahl erzeugter Lichtpunkt 35 eine Lissajous-Figur, wie es im folgenden beschrieben werden wird.
Die Ablenkeinrichtung 12 ist über zwei Ausgänge mit zwei weiteren Eingängen der Aufbereitungs- und Modulationseinheit verbunden, um an dieselbe Triggersignale Tx und Ty zu senden, die angeben, wann sich die Schwingung um die erste bzw. zweite Ablenkachse 30 bzw. 32 an ihrem oberen oder unteren Umkehrpunkt befindet. Wie es im folgenden beschrieben werden wird, dienen die Triggersignale Tx und Ty der Synchronisation der Aufbereitungs- und Modulationseinheit 14 mit der Ablenkeinrichtung 12.
Die Ablenkung des Lichtstrahls 18 zusammen mit der Modulation der Intensität des Lichtstrahls 18 ergibt, wie es im folgenden beschrieben wird, ein Bild 36 innerhalb des Bildfeldes 22, wobei in 1 lediglich exemplarisch als Bild ein Kreuz mit einem Kreis, dessen Mittelpunkt im Kreuzungspunkt des Kreuzes liegt, gezeigt ist.
Nachdem im vorhergehenden der Aufbau der Projektionsvorrichtung von 1 beschrieben worden ist, wird im folgenden die Funktionsweise derselben bzw. das derselben zugrunde liegende Projektionsverfahren beschrieben.
Im folgenden wird zunächst die Ablenkung des Laserstrahls 18 erläutert, wie sie durch die Ablenkeinrichtung 12 durchgeführt wird. Wie es im vorhergehenden beschrieben wurde, wird der biaxial aufgehängte Spiegel 24 um die Ablenkachsen 32 und 30 in Schwingungen mit den Ablenkfrequenzen f1 bzw. f2 versetzt, die gleich oder ungefähr gleich Resonanzfrequenzen des Spiegels 24 bezüglich der Ablenkachsen 30 und 32 sind. Anders ausgedrückt wird der biaxial aufgehängte Spiegel 24 auf bzw. in der Nähe seiner Resonanzfrequenzen betrieben. In dem Fall einer hohen Güte der Resonatoren des biaxial aufgehängten Spiegels 24 kann der Zusammenhang zwischen der Zeit einerseits und den beiden Ablenkwinkeln des Lichtstrahls 18' andererseits in sehr guter Näherung durch eine sinusförmige Funktion beschrieben werden. Um die Ablenkfrequenzen f₁ und f₂ des biaxial aufgehängten Spiegels 24 konstant zu halten, wird der Ansteuerung der Ablenkeinrichtung 22 beispielsweise ein Referenzspannungssignal von der Aufbereitungs- und Modulationseinheit 14 zugeführt, deren zeitlicher Verlauf dem Sollverlauf des Auslenkwinkels mindestens einer der beiden Schwingungen um die Ablenkachsen 30 und 32 entspricht.
Zusätzlich werden die beiden Ablenkfrequenzen f₁ und f₂ derart eingestellt, dass sie einen größten gemeinsamen Teiler aufweisen. Der größte gemeinsame Teiler entspricht der Bildwiederholrate f_r, d. h. der Rate, mit der der durch den Lichtstrahl 18' erzeugte Lichtpunkt 35 nach einem festen, vorgegebenen Verlauf auf dem Bildfeld 22 wieder die selbe Position erreicht. In dem vorliegenden Fall, da die beiden Schwingungs- bzw. Ablenkachsen 30 und 32 senkrecht zueinander stehen, und für den Fall, dass das Frequenzverhältnis der beiden Ablenkfrequenzen f₁ und f₂ f₁:f₂ = n:m beträgt, wobei n und m Ganzzahlen sind (d. h. n, m ϵ N) und die kleinsten gemeinsamen Teiler angeben, gilt für die Bildwiederholrate f_r: fr = f1/n = f2/m.
Der durch den abgelenkten Lichtstrahl 18' unter Verwendung der Ablenkfrequenzen f₁ und f₂ erzeugte Lichtpunkt folgt auf dem Bildfeld 22 im wesentlichen einer Lissajous-Figur, wie sie in den 2 für ein spezielles Frequenzverhältniss gezeigt ist. Der abgelenkte Lichtstrahl 18' wird durch die Ablenkeinrichtung 12 derart abgelenkt, dass der Lichtstrahl 18' den Verlauf der Lissajous-Figur wiederholt mit der Bildwiederholrate f_r abtastet.
2 zeigt ein Beispiel für eine Lissajous-Figur, die der Lichtstrahl 18' auf dem Bildfeld 22 beschreibt, für den Fall, dass das Frequenzverhältnis f₁:f₂ = 50:51 beträgt. In beiden Figuren wird angenommen, dass die Ablenkachsen 30 und 32 derart ausgerichtet sind, dass sie parallel zum Bildfeld 22 sind, und dass eine Drehung der Spiegelplatte 26 um die Ablenkachse 30 eine Bewegung des durch den abgelenkten Lichtstrahl 18' erzeugten Lichtpunktes 35 entlang der horizontalen Achse x bewirkt, während eine Auslenkung des biaxial aufgehängten Spiegels 24 um die Ablenkachse 32 eine Bewegung des Lichtpunkts 35 entlang der vertikalen Achse y bewirkt. Dementsprechend befindet sich die Schwingung um die Ablenkachse 30 an einem Umkehrpunkt, falls sich der Lichtpunkt an dem linken oder rechten Rand des Bildfeldes 22 befindet, und die Schwingung um die Ablenkachse 32 befindet sich an einem Umkehrpunkt, falls sich der Lichtpunkt an einem oberen oder unteren Rand des Bildfeldes 22 befindet.
Ordnet man jedem Schnittpunkt der Lissajous-Figur einen Bildpunkt, d. h. einen Punkt auf dem Bildfeld, an dem durch Modulation des Lichtstrahls 18 ein Lichtpunkt 35 mit gewünschter Helligkeit erzeugt werden soll, um zusammen mit anderen Bildpunkten das zu projizierende Bild ergeben, zu und zählt jeden Umkehrpunkt als halben Schnittpunkt, so gilt für die Anzahl N der auf diese Weise definierten Bildpunkte: N = n × m
Nach dieser Definition der Bildpunkte beträgt die Anzahl der Bildpunkte in dem Fall von 2 50 × 51 (= 2550).
In dem Fall von 2 kann eine Bildwiederholrate von 50 Hz erzielt werden, wenn die horizontale Frequenz f₁ 2500 Hz und die vertikale Frequenz f₂ 2550 Hz beträgt.
Wie es aus der obigen Gleichung für die Anzahl der Schnitt- bzw. Bildpunkte N hervorgeht, hängt die Abdeckung des Bildfeldes von dem gewählten Frequenzverhältnis zwischen den beiden Ablenkfrequenzen f₁ und f₂ ab. Wie es ferner aus der 2 hervorgeht, ist die Bildpunktdichte bzw. die Schnittpunktdichte der Lissajous-Figur im Randbereich des Bildfeldes 22 größer als im inneren Bereich. Zur Homogenisierung der Bildpunktdichte kann gegebenenfalls der Randbereich des Bildfeldes 22, wie z. B. durch Abschalten der Lichtquelle 10 in diesem Außenbereich, ausgeblendet werden. Exemplarisch ist in 2 bei 40 ein Fenster angezeigt, außerhalb dessen der Laser 10 abgeschaltet werden kann.
Jeder Punkt entlang der Lissajous-Figur kann durch Modulation der Intensität des Lichtstrahls 18 als Bildpunkt des Bildfeldes 22 dienen. Abweichend von der vorhergehenden Definition der Bildpunkte als die Schnittpunkte und Umkehrpunkte können Bildpunkte beispielsweise diejenigen Punkte der Lissajous-Figur definiert werden, die zwischen benachbarten Schnittpunkten liegen oder die auf der Lissajous-Figur in zeitlich äquidistanter Weise durchlaufen werden oder aber alle Punkte auf der Figur in dem Fall einer andauernden Modulation der Lichtstrahlintensität.
In 2 sind beispielsweise acht benachbarte Bildpunkte 42 gezeigt, von denen jeder als ein an die benachbarten Bildpunkte angrenzendes Rechteck dargestellt ist. Die Bildpunkte 42 sind derart definiert, dass sie an den Positionen entlang der Lissajous-Figur angeordnet sind, die zwischen benachbarten Schnittpunkten derselben liegen. Jedes einen Bildpunkt darstellende Rechteck weist zwei gegenüberliegende Ecken auf, die auf der Linie der Lissajous-Figur liegen, während die anderen gegenüberliegenden Ecken im wesentlichen zentriert im Zwischenraum zwischen benachbarten Linien der Lissajous-Figur liegen.
Obwohl zur Übersichtlichkeit in 2 lediglich acht Bildpunkte 42 gezeigt sind, ist erkenntlich, dass eine Erweiterung der solcherart definierten Bildpunkte 42 auf den restlichen Bereich des Bildfeldes 22 ebenfalls eine arraymäßige Anordnung von Bildpunkten ergibt, die im wesentlichen spalten und zeilenweise angeordnet sind, wenngleich sie nach außen hin dichter werden. Anders als bei den in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Projektionsverfahren werden die arraymäßig angeordneten Bildpunkte 42 von dem durch den abgelenkten Laserstrahl 18' erzeugten Lichtpunkt 35 jedoch nicht zeilenweise durchlaufen. Vielmehr werden beispielsweise der linke obere Bildpunkt und der Bildpunkt unten rechts neben demselben nacheinander durchlaufen. Folglich werden insbesondere, noch bevor alle vier Bildpunkte der oberen Zeile der acht Bildpunkte 42 durchlaufen werden, Bildpunkte anderer Zeilen durchlaufen.
Es sei darauf verwiesen, dass die Ablenkung bzw. der abgelenkte Laserstrahl 18' sich auf eine Ausrichtung der Ablenkeinrichtung 12 bezieht, die einem bestimmten Abtastpunkt entspricht. Im Allgemeinen wird der Laserstrahl 18 nicht permanent eingeschaltet sein, so dass ein Pfad, den der Laserstrahl 18 bei der Abtastung beschreibt, eine unterbrochene Linie darstellt.
Nachdem im vorhergehenden die Ablenkung des Lichtstrahls 18 durch die Ablenkeinrichtung 12 sowie die sich hieraus ergebende vorbestimmte und reproduzierbare Bewegung des durch den abgelenkten Lichtstrahls 18' erzeugten Lichtpunktes auf dem Bildfeld 22 beschrieben worden ist, wird im folgenden die Modulation der Intensität des Lichtstrahls 18 beschrieben, um an den Bildpunkten Lichtpunkte mit gewünschter Helligkeit zu erzeugen.
3 zeigt ein Beispiel für eine binäre Modulation eines beispielhaften Lasers. Auf der linken Seite in der 3 ist ein Beispiel für ein Bild angegeben, welches 16 Pixel aufweist, die bis auf einen Pixel A und einen Pixel B weiß sind. Der Pixel A weist eine hellere Graustufe und der Pixel B eine dunklere Graustufe auf. Der abgelenkte Lichtstrahl 18' passiert entlang des Scans zuerst den Pixel A in dem Zeitintervall, welches zum ersten Zeitpunkt T₁ beginnt und zu einem zweiten Zeitpunkt T₂ endet und überstreicht den Pixel B in einem zweiten Zeitintervall, welches zu dem zweiten Zeitpunkt T₂ beginnt und zu einem dritten Zeitpunkt T₃ endet.
Eine erfindungsgemäße Modulation des Lasers ist auf der rechten Seite der 3 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Laser als Lichtstrahl 18 verwendet, der zwei Zustände aufweist (Ein-Zustand oder Aus-Zustand). Die Modulation auf der rechten Seite in 3 stellt eine Intensitätsverteilung des Lasers in Abhängigkeit der Zeit t dar. Vor dem ersten Zeitpunkt T₁ befindet sich der Laser in einem Ein-Zustand, so dass der Laser eine konstante maximale Intensität i_max aufweist. Zum ersten Zeitpunkt T₁ wird der Laser in den Aus-Zustand geschaltet. In dem Zeitintervall T_Pixel,A, in dem der Laser den Pixel A überstreicht und der mit dem ersten Zeitpunkt T₁ beginnt und mit dem zweiten Zeitpunkt T₂ endet, wird der Laser für ein erstes Zeitintervall Einschaltintervall t_ON,1 eingeschaltet, wobei es beispielsweise symmetrisch um einen Mittelpunkt des ersten Zeitintervalls T_Pixel,A = T₂ – T₁ angeordnet ist. Somit ist zum zweiten Zeitpunkt T₂ der Laser in dem Aus-Zustand und wird in einem zweiten Zeitintervall T_Pixel,B = T₃ – T₂, welches sich von dem zweiten Zeitpunkt T₂ bis zum dritten Zeitpunkt T₃ erstreckt, für eine Zeit eingeschaltet, wobei beispielsweise das zweite Einschaltintervall t_ON,2 sich symmetrisch um einen zweiten Zeitpunkt t₂ erstreckt. Somit ist der Laser zum dritten Zeitpunkt T₃ ausgeschaltet und wird ab diesem Zeitpunkt wieder eingeschaltet. Das erste Einschaltintervall t_ON,1 und das zweite Einschaltintervall t_ON,2 sind dabei vorzugsweise derart gewählt, dass die entsprechende Helligkeit des Bildpunktes, welches zum Pixel A und zum Pixel B gehört, erreicht wird. Da der Pixel A heller ist als der Pixel B, ist folglich auch das erste Einschaltintervall t_ON,1 länger als das zweite Einschaltintervall t_ON,2, wie es auf der rechte Seite der 3 dargestellt ist. Die Zeitpunkte t₁ und t₂ können dabei beispielsweise derart gewählt werden, dass sie sich jeweils in der Mitte des Zeitintervalls, welche der Laser zum Überstreichen des jeweiligen Pixels benötigt, gelegen sind. Dies bedeutet, dass beispielsweise t₁ = (T₂ + T₁)/2 bzw. t₂ = (T₃ + T₂)/2, können aber auch anders gewählt sein. Ebenso stimmen im Allgemeinen T_Pixel,A nicht mit T_Pixel,A überein, d. h. die Länge, die der Lichtstrahl zum Oberstreichen eines Pixels benötigt ist positionsabhängig.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das binäre Modulationsverfahren auch dahin gehend modifiziert werden, dass die Einschaltphase t_ON in dem Zeitintervall T_Pixel eine Vielzahl von Einschaltphasen aufweisen kann, so dass der Laser nicht kontinuierlich eingeschaltet ist. Beispielsweise kann dazu ein gepulster Laser mit einer sehr hohen Pulsfrequenz zum Einsatz kommen.
4 zeigt weitere Ausführungsbeispiele bei denen das binäre Modulationsverfahren, welches in 3 beschrieben wurde, mit einer konventionellen Helligkeitsmodulation (Amplitudenmodulation eines beispielhaften Laserstrahls) kombiniert ist. 4a zeigt wie 3 ein Beispiel für ein Bild bestehend aus 16 Pixel, in denen bis auf den Pixel A und den Pixel B alle Pixel weiß sind und der abgelenkte Laserstrahl 18' zuerst den Pixel A überstreicht und dann den Pixel B. Der erste Zeitpunkt T₁ ist dabei ebenso wie der zweite Zeitpunkt T₂ und der dritte Zeitpunkt T₃ wieder derart gewählt, dass sie jeweils Randpunkte des Pixels A und des Pixels B markieren.
4b zeigt eine Modulation des beispielhaften Lasers, wobei zum ersten Zeitpunkt T₁ der Laser wiederum ausgeschaltet ist und ein Ein-Zustand in dem ersten Zeitintervall T_Pixel,A nicht instantan erreicht wird, sondern während einer Einschaltphase die Intensität sich langsam erhöht. Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 3, wird auch hier ein Maximum der Intensität i_max zu einem Zeitpunkt t₁ innerhalb des ersten Zeitintervalls T_Pixel,A, welches durch die Randpunkte T₂ und T₁ begrenzt ist, erreicht. Dieses Maximum kann beispielsweise wieder in der Mitte des ersten Zeitintervalls T_Pixel,A gewählt werden. Ebenso wird in dem zweiten Zeitintervall T_Pixel,B, welches durch den dritten Zeitpunkt T₃ und den zweiten Zeitpunkt T₂ begrenzt ist und welches dem Zeitintervall entspricht, welches der abgelenkte Laserstrahl 18' für das Überstreichen des Pixels B benötigt, der Ein-Zustand nicht instantan erreicht, sondern wiederum durch ein langsames Ansteigen der Amplitude erreicht. Der maximale Wert wird wiederum zu dem Zeitpunkt t₂ erreicht, der beispielsweise in der Mitte des zweiten Zeitintervalls T_Pixel,B liegt. Ebenso wenig braucht das Ausschalten instantan erfolgen, sondern kann sich über ein bestimmtes Ausschaltintervall hinziehen.
4c zeigt eine Modulation des Lasers, bei der die Intensität des Lasers sich kontinuierlich ändert. Dies bedeutet, dass nicht wie in 4b gezeigt ist, dass die Intensität des Lasers zum ersten Zeitpunkt T₁ sich plötzlich ändert (von i = i_max zu i = 0), sondern dass sich die Intensität des Lasers in einer Ausschaltphase kontinuierlich von dem Maximalwert i = i_max zu i = 0 ändert. Mathematisch lässt sich dieses Verhalten derart ausdrücken, dass die Intensität eine stetig differenzierbare Kurve in der Zeit beschreibt. In diesem Sinne ist die Intensitätskurve in 4c eine geglättete Darstellung der Intensitätskurve von 4b. Somit wird wiederum beim ersten Zeitpunkt T₁ ein Minimum der Intensität erreicht, jedoch nicht abrupt wie in 4b, und außerdem wird ein Minimum zum zweiten Zeitpunkt T₂ erreicht, wobei in dem dazwischenliegenden Zeitintervall ein Maximum der Intensitätskurve wiederum erreicht wird. In gleicher Art und Weise wird auch zum dritten Zeitpunkt T₃ ein Minimum der Intensitätskurve erreicht, wobei zwischen dem dritten Zeitpunkt T₃ und dem zweiten Zeitpunkt T₂ wiederum ein Maximum der Intensitätskurve i₁ erreicht wird. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel von 4b ist das Maximum i₁ in dem zweiten Zeitintervall T_Pixel,B jedoch kleiner als i_max, welches bei dem Ausführungsbeispiel von 4b in dem zweiten Zeitintervall T_Pixel,B zum Zeitpunkt t₂ erreicht wird. Somit sind wie in dem Ausführungsbeispiel zuvor an den Rändern des Zeitintervalls T_Pixel Minima in der Intensitätsverteilung, und Maxima befinden sich beispielsweise mittig in den Zeitintervallen T_Pixel. Es sei darauf hingewiesen, dass für den Fall, wenn der Pixel einem schwarzen Punkt entspricht, der Laser in dem Aus-Zustand verweilt, so dass kein Maximum zwischen den Rändern des Zeitintervalls T_Pixel vorkommt. Das stetige Verhalten bei der Änderung der Intensität des Lasers, wie es bei dem Ausführungsbeispiel in 4c gezeigt ist, ist insbesondere dahin gehend vorteilhaft, dass der Laser nicht für jedes Zeitintervall T_Pixel mit maximaler Intensität betrieben wird, wodurch sich die Beanspruchung des Lasers verringert.
4d zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Intensität des Lasers in diskreten Schritten verändert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Laser beispielsweise diskrete Werte von Intensitätsstufen i = (i_max, i₁, i₂, i₃, 0) auf, wobei i_max > i₁, > i₂ > i₃ > 0 gilt. Zu dem ersten Zeitpunkt T₁, bei dem der Laser in dem Aus-Zustand ist, wird die Intensität der Laserstrahlung zuerst auf den Wert i₂ und dann in einem zweiten Schritt von dem Wert i₂ auf den Wert i₁ erhöht. Bevor der Laser zum zweiten Zeitpunkt T₂ die Intensität i₃ erreicht, wird die Intensität i₁ zuerst wiederum auf den Wert i₂ herabgesetzt und in einem zweiten Schritt von dem Zwischenwert i₂ auf den Wert i₃ verringert. Während des zweiten Zeitintervalls T_Pixel,B wird die Intensität des Lasers von dem Wert i₃ zu dem Wert i₁ erhöht und zu einem späteren Zeitpunkt wiederum auf den Wert i₃ herabgesenkt. Zum Zeitpunkt T₃ wird wiederum die Intensität des Lasers auf den Maximalwert i_max erhöht.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel von 4c ist auch dieses Ausführungsbeispiel dahin gehend vorteilhaft, dass die Intensität des Lasers nicht zwischen Extremalwerten (Ein/Aus) plötzlich springt, sondern dass, sofern durch die Bilddaten möglich, der Laser mit verminderter Leistung betrieben wird. Jedoch werden auch hier Minima in der Intensität zu den Zeitpunkten erreicht, wenn ein Pixelwechsel stattfindet.
Die Fläche unterhalb der Intensitätskurven aus den 3, 4b, 4c und 4d entsprechen dabei den Graustufen der entsprechenden Pixel. Wenn der Laser die maximale Intensität i_max während des gesamten Zeitintervalls T_Pixel aufweist, hat der entsprechende Pixelpunkt die höchstmögliche Helligkeit. Die Fläche innerhalb des ersten Zeitintervalls T_Pixel,A unterhalb der Intensitätskurve ist für alle drei Kurven größer als die Fläche unterhalb der Intensitätskurve während des zweiten Zeitintervalls T_Pixel,B. Dies bedeutet, dass der Pixel A, welcher während des ersten Zeitintervalls T_Pixel,A überstrichen wird, eine höhere Helligkeit aufweist als der Pixel B, der vom Laser während des zweiten Zeitintervalls T_Pixel,B überstrichen wird. Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsbeispielen, die in den 3, 4b–4d gezeigt sind, eine Maximalintensität jeweils in einem inneren Zeitpunkt erreicht, d. h. zu einem Zeitpunkt t₁ während des ersten Zeitintervalls T_Pixel,A und zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ während des zweiten Zeitintervalls T_Pixel,B, wobei t₁ und t₂ innerhalb von zwei Wendepunkten liegen, die vorzugsweise einen Abstand zu den jeweiligen Randpunkten des Zeitintervalls aufweisen, da an den Randpunkten vorzugsweise lokale Minima der Intensität sind. An dieser Stelle sei auch erwähnt, dass, wie in 4c gezeigt ist, der Übergang von dem vorhergehenden Pixel zu dem Pixel A nicht instantan erfolgen kann, sondern dass der Laser in einer gewissen Ausschaltphase von dem Wert maximaler Intensität i_max zu einem Wert minimaler Intensität zum ersten Zeitpunkt T1 schaltet. Ebenso kann die Einschaltphase zum dritten Zeitpunkt T₃ eine gewisse zeitliche Dauer aufweisen, in der der Laserstrahl 18' von minimaler Intensität zurück zum Zustand maximaler Intensität i_max geht.
Im Allgemeinen ergeben sich mehrere Möglichkeiten, wie die zu der Helligkeit eines Bildpunktes entsprechende Lichtmenge projiziert werden kann. Zum Einen kann unter Verwendung einer Nachschlagtabelle zu jedem Helligkeitswert ein Muster für die Intensitätsverteilung zugeteilt werden. Zum Anderen kann das Muster der Intensitätsverteilung auch ermittelt werden (z. B. nur unter Zuweisung einer Maximalintensität für einen Helligkeitswert). Für die diskreten Intensitätsstufen i_n (n = 1, 2, 3, ...) aus 4c würde das bedeuten, dass in der Nachschlagtabelle zu jedem Helligkeitswert eine bestimmte Intensitätsstufe i_n und eine Einschaltdauer t_ON,Pixel angegeben ist. Alternativ kann zu jedem Helligkeitswert eine minimale Intensitätsstufe im berechnet werden und anschließend wird eine erforderlich Einschaltdauer t_ON,Pixel, die zum Erreichen des Helligkeitswerts erforderlich ist, ermittelt. Die minimale Intensitätsstufe im wäre beispielsweise jene Intensitätsstufe, die nötig ist, um innerhalb der Zeitdauer T_Pixel die Helligkeit des Bildpunktes zu erreichen, d. h. die nächst niedrigere Intensitätsstufe i_m-1 während des Zeitintervalls T_Pixel nicht die Helligkeit des Bildpunktes liefern können, selbst wenn der Laser permanent eingeschaltet wäre. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können auch Kombinationen verwendet werden, beispielsweise eine Zuweisung (per Tabelle) Einschaltdauer t_ON,Pixel und einer Berechung eines Intensitätswertes oder andere Variationen.
Alle gezeigten Ausführungsbeispiele haben ferner gemein, dass sich die Intensität bzw. die Helligkeit, mit der sich der Laserstrahl 18' während des Zeitintervalls T_Pixel, in dem ein gegebener Pixel überstrichen wird, zumindest zwei Mal ändert. Im Vergleich zu konventionellen Modulationsverfahren, ergibt sich dadurch eine veränderte Verteilung für die Intensität des Lasers. Für die Häufigkeit, mit der eine Intensität i ϵ [0, i_max] während eines Zeitintervalls T_Pixel auftritt, ergeben sich folgende Verteilungen. Bei dem Ausführungsbeispiel von 3 treten bei der Modulation zwei Helligkeiten gehäuft auf. Das sind zum Einen die maximale Intensität i_max und eine verschwindende Intensität i = 0 bzw. eine Intensität im ausgeschalteten Zustand (zum zweiten Zeitpunkt T₂ beispielsweise). Somit weist die entsprechende Häufigkeitsverteilung der Intensitäten zwei ausgeprägte Maxima auf (eine sogenannte bimodale Verteilung), ein Maximum bei i = 0 und ein zweites Maximum bei i = i_max. Für den Fall, dass bei dem Ausführungsbeispiel von 4b der Laser für ein bestimmtes Zeitintervall mit maximaler Intensität i_max arbeitet und für ein weiteres Zeitintervall ausgeschaltet ist (so dass i = 0 gilt), zeigt die Häufigkeitsverteilung der Intensität wiederum ein Maximum bei i = 0 und bei i = i_max. Die konkrete Form der Häufigkeitsverteilung hängt dabei davon ab, wie lange der Laser in dem eingeschalteten Zustand bei i = i_max und wie lange der Laser in dem ausgeschalteten Zustand i = 0 verweilt. Der lineare Anstieg der Intensität in der 4b entspricht einem konstanten Abschnitt in der Häufigkeitsverteilung. Bei einem Ausführungsbeispiel von 4c verhält es sich ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel von 4b, mit dem Unterschied jedoch, dass die Abschnitte mit konstanten Verhalten der Häufigkeit verändert sind. Für das zweite Zeitintervall T_Pixel,B, in dem der Pixel B dargestellt wird, tritt jedoch nicht i_max als ein Maximum auf, sondern stattdessen i = i₁ < i_max. Qualitativ unterschiedliches Verhalten zeigt jedoch das Ausführungsbeispiel von 4d, bei dem die Häufigkeitsverteilung der Intensität zusätzliche Maxima zwischen den Werten i = 0 und i = i_max aufweist (eine sogenannte polymodale Verteilung). Diese Maxima entsprechen dabei den diskreten Schritten, d. h. der ersten Intensität i₁, der zweiten Intensität i₂ und der dritten Intensität i₃, wobei die Höhe der Maxima in der Häufigkeitsverteilung durch die Verweildauer des Lasers in den jeweiligen Zwischenzuständen bestimmt ist. Im Gegensatz dazu weist bei der Modulation gemäß dem Stand der Technik, wie sie in 5 gezeigt ist, die Häufigkeitsverteilung für einen Pixel jeweils nur ein scharf ausgeprägtes Maximum auf. Das jeweilige Maximum entspricht dabei den Werten i₁ und i₂ und weist im Idealfall ein δ-Funktionsverhalten auf.
Zusammenfassend können Aspekte der vorliegenden Erfindung wie folgt beschrieben werden. Ein scannendes Laser-Projektionsverfahren nutzt zur Darstellung der Pixelhelligkeit während der Zeit, in der der Laser einen Pixel überstreicht, ein zeitlich in der Intensität moduliertes Lichtsignal. Ein dementsprechendes Laser-Projektionssystem oder eine Projektionsvorrichtung nutzt einen Laser, der während des Oberstreichens eines Pixels nicht konstant so moduliert wird, dass integral die abzustrahlende Pixel-Energie des Bildpunktes erreicht wird. Ferner wird ein entsprechendes Laser-Projektionssystem in der Laserintensität innerhalb eines Pixels binär (An/Aus) zeitlich moduliert. Darüber hinaus kann bei einem entsprechenden Laser-Projektionssystem die Laserintensität innerhalb eines Pixels mit mehr als zwei Stufen zeitlich moduliert werden. Das entsprechende Laser-Projektionssystem kann eingesetzt werden für eine monochrome oder eine mehrfarbige (Mehr-Laser-)Projektion oder auch in Tischprojektoren, Business-Projektoren, Mobiltelefonen, Laptops, PDAs (PDA = Personal Digital Assistent), Home Cinema, Kino, industrieller Einsatz, Streifenprojektion, etc. Es können dabei direkt modulierbare Laser verwendet werden oder auch sogenannte cw-Laser (cw = continuos wave, Dauerstrich-Laser) mit einer externen Modulation. Außerdem kann eine Projektion auf beliebige Oberflächen vorgenommen werden oder auch auf speziellen Leinwänden.
Obwohl die Bilddarstellung unter Verwendung eines resonanten Scan-Verfahrens (beispielsweise mittels Lissajous-Figuren) einige Vorteile bietet, ist eine erfindungsgemäße Modulation aber gleichermaßen auf jedes andere Scan-Verfahren anwendbar, insbesondere auch auf das linear Scan-Verfahren. Außerdem können auch andere Lichtquellen zum Einsatz kommen sofern eine Intensitätsmodulation möglich ist, z. B. von Halbleiterschichtstrukturen (anorganisch oder organisch), durch Phosphoreszenz etc. erzeugtes Licht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6843568 [0005]

Claims

Projektionsvorrichtung zum scannenden Projizieren eines Bildes auf ein Bildfeld (22) mittels eines Strahlungsstrahls (18), mit einer Einrichtung (14) zum Modulieren einer Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) derart, dass sich die Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) in einem Zeitintervall (T_Pixel) ändert, währenddessen ein Abtastpunkt, auf den der Strahlungsstrahl (18) gerichtet ist, ein Pixel des Bildfeldes (22) überstreicht.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass eine zeitliche Ableitung der Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) im Inneren des Zeitintervalls (T_Pixel) ein lokales Maximum aufweist.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass sich die Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) in einem weiteren Zeitintervall ändert, währenddessen ein Abtastpunkt, auf den der Strahlungsstrahl (18) gerichtet ist, ein weiteres Pixel des Bildfeldes (22) überstreicht, wobei sich eine Zeitdauer des Zeitintervalls (T_Pixel) von einer weiteren Zeitdauer des weiteren Zeitintervalls unterscheidet.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass die Intensität (i) als Funktion einer Zeit zwei Wendepunkte innerhalb des Zeitintervalls (T_Pixel) aufweist.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der das Zeitintervall (T_Pixel) ein Beginn und ein Ende aufweist, an denen der Strahlungsstrahl (18) das Pixel betritt und verlässt, und bei der die Intensität (i) lokale Minima an dem Beginn und Ende aufweist.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ausgebildet ist, um die Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) so zu verändern, dass der Strahlungsstrahl (18) während des Zeitintervalls (T_Pixel) eine Lichtmenge überträgt, die einer Helligkeit eines Bildpunktes entspricht.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Ablenkvorrichtung (12) zum Ablenken eines Strahlungsstrahls (18) um eine erste Ablenkachse (30) und eine zweite Ablenkachse (32), um den Strahlungsstrahl (18) über das Bildfeld (22) zu bewegen, aufweist.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ausgebildet ist, um die Intensität (i) des Strahlungsstrahles (18) in dem Zeitintervall (T_Pixel) kontinuierlich zu ändern.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ausgebildet ist, die Intensität (i) des Strahlungsstrahles (18) in dem Zeitintervall (T_Pixel) in zwei oder mehr Stufen zu ändern.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ausgebildet ist, die Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) auf einen Maximalwert (i_max) oder einen Minimalwert einzustellen, wobei eine Einschaltdauer (t_ON,Pixel), währenddessen die Intensität (i) den Maximalwert (i_max) aufweist so gewählt ist, dass der Strahlungsstrahl (18) eine Licht menge überträgt, die einer Helligkeit eines Bildpunktes entspricht.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ausgebildet ist, die Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) auf eine Vielzahl von diskreten Werten einzustellen und bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ferner ausgebildet ist, aus einer Nachschlagtabelle zu einer Helligkeit eines Bildpunktes einen bestimmten diskreten Wert und eine entsprechende Einschaltdauer (t_ON,Pixel), währenddessen die Intensität (i) den bestimmten diskreten Wert aufweist, zu wählen.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ausgebildet ist, die Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) auf eine Vielzahl von diskreten Werten einzustellen und bei der die Einrichtung (14) zum Modulieren ferner ausgebildet ist, aus einer Helligkeit eines Bildpunktes einen bestimmten diskreten Wert und/oder eine entsprechende Einschaltdauer (t_ON,Pixel), währenddessen die Intensität (i) den bestimmten diskreten Wert aufweist, zu berechnen.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Laser zum Erzeugen des Strahlungsstrahls (18) aufweist.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der der Laser ein gepulster Laser ist.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der der Laser ein Dauerstrich-Laser mit externer Modulation ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der Laser ein direkt modulierbarer Laser ist.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Lichtquelle zum Erzeugen des Strahlungsstrahl (18) und eine weitere Lichtquelle zum Erzeugen eines weiteren Strahlungsstrahls aufweist, wobei die Einrichtung (14) zum Modulieren ausgebildet ist auch den weiteren Strahlungsstrahl zu modulieren und der weitere Strahlungsstrahl sich von dem Strahlungsstrahl (18) durch sein Spektrum unterscheidet, und wobei der Strahlungsstrahl (18) und der weitere Strahlungsstrahl auf das Bildfeld (22) projizierbar sind.
Projektionsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Lichtquelle (10) zum Erzeugen des Strahlungsstrahls aufweist.
Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Ablenkeinrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass der Strahlungsstrahl (18) um die erste Ablenkachse (30) mit einer ersten Ablenkfrequenz (f₁) und um die zweite Ablenkachse (32) mit einer zweiten Ablenkfrequenz (f₂) ablenkbar ist, wobei die Ablenkeinrichtung (12) Mittel aufweist, die das Frequenzverhältnis auf f₁:f₂ = n:m, mit m und n ungleichen Ganzzahlen, einstellt, so dass der Strahlungsstrahl (18) auf dem Bildfeld (22) eine Lissajous-Figur beschreibt.
Verfahren zum scannenden Projizieren eines Bildes auf ein Bildfeld (22) mittels eines Strahlungsstrahls (18), mit: Modulieren einer Intensität des Strahlungsstrahls (18), derart, dass sich eine Intensität (i) des Strahlungsstrahls (18) in einem Zeitintervall (T_Pixel) ändert während dessen der Strahlungsstrahl (18) ein Pixel des Bildfeldes (22) überstreicht.