DE102007019017A1

DE102007019017A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche

Info

Publication number: DE102007019017A1
Application number: DE102007019017A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr. Biehlig; Jürgen Dr. Kränert; Andreas Zintl
Original assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2009-01-22
Also published as: US20100188644A1; WO2008128520A1; JP2010525382A; EP2135460A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche, welches aus Bildpunkten aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in ihrer Intensität veränderbaren Lichtquelle und einer Auskoppeleinrichtung nach der Faser und einer sich anschließenden Ablenkeinrichtung, die das Lichtbündel auf eine Projektionsfläche leitet. Dabei wird/werden bei der erfindungsgemäßen Lösung das/die Lichtstrahlbündel (2) nach einer Faserauskopplungseinheit (3) so gelenkt, dass diese zweimal hintereinander auf Spiegelfacetten des Polygonspiegels (4) treffen. Der Durchmesser, mit dem der Strahl (2) auf eine erste Spiegelfacette des Polygonspiegels (4) trifft, wird dabei so eingestellt, dass dieser so dimensioniert ist, dass er an den Facettenkanten praktisch nicht beschnitten wird. Beim zweiten Auftreffen wird er so geleitet, dass dieser die Spiegelfacette immer an der gleichen Stelle schneidet. Die Ablenkvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Scannereinheit (Polygonspiegel), einer Linse, einer geeigneten Anordnung von Umlenkspiegeln, einer/einem Blende/Blendensystem und einem Glavanometerspiegel, die entsprechend den Anforderungen verfahrensgemäß zueinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche, welches aus Bildpunkten aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in ihrer Intensität veränderbaren Lichtquelle und einer Auskoppeleinrichtung nach der Faser, wie sie zum Beispiel aus der DE 10 2004 001 389 B4 bekannt ist, und einer sich anschließenden Ablenkeinrichtung, die das Lichtbündel auf eine Projektionsfläche leitet. Die Ablenkvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Scannereinheit, die aus einem Polygonspiegel, einer Linse bzw. Linsensystem, einer geeigneten Anordnung von Umlenkspiegeln, einer Blende und einem Galvanometerspiegel besteht und entsprechend den Anforderungen verfahrensgemäß zueinander angeordnet sind.
Zur Videoprojektion wird ein paralleles oder nahezu paralleles Lichtbündel jeweils mit der Bild- und Farbinformation von verschiedenen Bildpunkten eines Videobildes beaufschlagt. Bei allen bekannten Systemen für die Bilderzeugung mit Lasern wird mechanisch abgelenkt. Ablenksysteme sind sowohl aus der Laserdrucktechnik als auch aus der Laservideotechnik bekannt. Gemeinsam ist diesen Techniken, dass sie zur Darstellung eines Bildes eine Matrixanordnung von Bildpunkten in einem Raster mittels eines Bündels von Laserlichtstrahlen oder einem anderen parallelen Lichtbündel beleuchtet wird. Das Lichtbündel wird dabei über eine zu beleuchtende Fläche über mehrere Zeilen in der so genannten Zeilenrichtung gerastert. Diese zu beleuchtende Fläche kann beispielsweise eine geeig nete Projektionsfläche, wie sie als großflächige Anzeige- und Projektionssysteme hoher Bildqualität im Multimediabereich bei Großveranstaltungen oder als Werbeträger zum Einsatz kommen, oder ein ebener Bildschirm oder auch sphärische Projektionen, wie beispielsweise in die Kuppel eines Planetariums oder eine Teilzylinderfläche, wie bei manchen Flugsimulatoren, sein.
Aus der DE 43 24 849 C2 ist ein Laservideosystem bekannt, bei dem zu jedem Zeitpunkt das Lichtbündel mit unterschiedlicher Farbe und Helligkeit moduliert wird. Während es aufgrund des Rasterns unterschiedliche Bildpunkte der Fläche beleuchtet, wird es mit dem für jeden beleuchteten Bildpunkt gewünschten Informationsinhalt ausgestattet. Im Ergebnis dessen entsteht auf der Fläche ein farbiges Bild. Ein Laservideosystem dieser Art erfordert eine außerordentlich hohe Ablenkgeschwindigkeit für das Lichtbündel aufgrund der großen Anzahl von Bildpunkten. Ein sich schnell drehender Polygonspiegel wird dabei für die Zeilenablenkung und ein Schwenkspiegel für die Bildablenkung verwendet. In der DE 43 24 849 C2 ist auch eine Transformationsoptik für Zeilen- und Bildablenkung der Art beschrieben, die das gerasterte Bild verändern und insbesondere vergrößern soll. Bei derartigen Transformationsoptiken hat sich herausgestellt, dass diese bei ebenen Bildschirmen ausschließlich dann bezüglich Farbfehler und Bildverzerrungen in geeigneter Weise korrigiert werden können, wenn die Bedingung eingehalten wird, dass beispielsweise der Ausfallswinkel und der Tangens des Einfallswinkels zum Beleuchten jedes Bildpunkts in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Die Kompensation erfolgt hierbei durch eine entsprechende Transformationsoptik. Nicht korrigiert werden dabei jedoch ein gewisser Helligkeitsabfall und eine Randverfärbung des Bildes. In manchen Fällen kommt es zu leichten rötlichen oder grünlichen Verfärbungen am linken bzw. rechten Bildrand und umgekehrt.
Die EP 1 031 866 A2 beschreibt eine Relaisoptik für ein Ablenksystem und ein entsprechendes Ablenksystem, die beide weniger aufwendig sein sollen und sich insbesondere auch bezüglich Farbfehler einfach optimieren lassen. Hierin wird eine Lösung beschrieben, die in einem einzigen optischen System eine Spiegelfläche vorsieht, die das von dem vorgegebenem Ort der ersten Scaneinrichtung durch das zuerst als erstes optische System wirksame einzige optische System fallende Lichtbündel mindestens einmal reflektiert und danach sich zurück zu dem dann als zweites optische System richtet. Statt zweier optischer Systeme wird nur ein einziges optisches System eingesetzt, welches einmal als erstes und danach als zweites optisches System wirkt. Diese Lösung ist derzeitig jedoch nicht realisierbar.
Aus verschiedenen Patent- und Literaturveröffentlichungen sind Lösungen zur Korrektur von Farbfehlern durch verschiedene Linsensysteme und der Farbkorrektur der Objektive bekannt. In der US 5,838,480 A wird eine Korrektur der chromatischen Abberation durch die dem Polygonspiegel nachgeordneten Zylinderlinsen und einem diffraktiven Element bewirkt.
JP 2001194608 A beschreibt ein Diffraktionselement in der Form eines Deckglases in Verbindung mit einem Schutzsystem, das vor dem Polygonspiegel angeordnet ist.
In JP 20011350116 A ist wiederum eine schräge Anordnung eines diffraktiven Elementes zwischen Polygonspiegel und Linsensystem beschrieben, welches chromatische Differenzen bei Vergrößerungen vermeiden will, ohne dass Geisterbilder oder Krümmungen bei der Zeilenabtastung auftreten.
In DE 69417174 T2 (S. 19, Z. 23, bis S. 20, Z. 29 und S. 20, Z. 18–20) ist auch eine Farbbildprojektionsvorrichtung beschrieben, bei welcher in einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele eine optische Verzögerung zum Einsatz kommt, um eine Symmetrie von 180°Phasenverschiebung zweier Lichtstrahlen zu erreichen.
Aus DE 4041240 A1 (S. 11, Z. 23–31) ist weiterhin ein Projektionslinsensystem bekannt, welches eine Aberrationskorrektur, insbesondere an den Rändern der Bildwand erzielt.
Alle diese Lösungen verhindern jedoch nicht, dass es bei der eingangs beschriebenen Art von Laservideosystemen zu Helligkeitsabfall und am Rand zu einer Randverfärbung im Bild kommen kann.
Eine Lösung dieses Problems ist aus der DE 10 2004 001 389 B4 bekannt. Sie hat aber den Nachteil, dass sie nicht auf ein Faserduo anwendbar ist, was jedoch Voraussetzung dafür ist, um bei der Laserprojektion zwei Zeilen gleichzeitig schreiben zu können und höhere Auflösungen zu erreichen. Ein Faserduo i. S. der vorliegenden Erfindung besteht aus zwei eng benachbarten Faserkernen. Aus beiden Faserkernen tritt jeweils ein divergentes und moduliertes Lichtbündel aus, die über die Faserauskopplung gemeinsam abgebildet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten gattungsgemäßen Verfahren bzw. das Videosystem so zu verbessern, dass der Randabfall (bessere Helligkeitshomogenität im Bild) und die Randverfärbungen bei der Videoprojektion mittels Laser minimiert, und der Helligkeitsverlauf im projizierten Bild deutlich verbessert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei der mindestens ein aus einer Lichtfaser kommendes Lichtstrahlbündel, entsprechend den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 auf die Spiegelfacetten des Polygonspiegels trifft.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ablenkung der/des Lichtstrahlbündel/s, entsprechend den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird/werden das/die Lichstrahlbündel (2) nach einer Faserauskopplungseinheit (3) so gelenkt, dass diese zweimal hintereinander auf Spiegelfacetten des Polygonspiegels (4) trifft/treffen. Der Durchmesser mit dem der/die Strahl/en (2) auf eine erste Spiegelfacette des Polygonspiegels (4) trifft wird dabei so dimensioniert, dass er an den Facettenkanten praktisch nicht oder nur in geringem Maße beschnitten wird. Die Erfindung versteht dabei unter „in geringem Maße", wenn die Helligkeit am Bildrand nicht unter einem Wert von 70% von der Bildmitte abfällt (siehe auch 7). In beispielhafter Ausführung ist dieser etwa 1 mm. Von der ersten Spiegelfacette kommend wird er in der Folge mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung ein zweites Mal auf eine Spiegelfacette des Polygonspiegels (4) gelenkt. Hier wird der Strahldurchmesser so groß eingestellt, so dass auf dem Projektionsschirm ein kleinst möglicher Lichtpunkt erzielt wird. Der Strahldurchmesser auf der zweiten Spiegelfacette ist dabei durch die Größe der Spiegelfacette selbst limitiert. Das heißt, dass er an den Facettenkanten beschnitten wird. Um die dadurch in den bisherigen Ausführungen zum Stand der Technik entstehenden Bildfehler (Randabfall und Randverfärbungen) zu verhindern, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der Lichtstrahl so geleitet, dass sich der Lichtstrahl mit dem sich drehenden Polygonspiegel quasi mitbewegt und die Facette somit immer bzw. nahezu an der gleichen Stelle schneidet. Die Erfindung spricht dabei von einem „eingefrorenem Strahl". Dadurch wird gleichzeitig die Bildgröße (größerer maximaler Scanwinkel) bei gleich bleibender Punktgröße auf dem Bildschirm vergrößert, bzw. die erreichbare Pixeldichte wird vergrößert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung kann in verschiedenen Ausführungen sowohl mit einer einfachen Faser als auch mit Faserduo oder einer größeren Zahl von Fasern betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Ablenkvorrichtung bezeichnet eine Vorrichtung bestehend aus einem nach der Faserauskopplungseinheit (3) angeordneten Polygonspiegel (4) mit einer geeigneten Anzahl von Spiegelfacetten, nachgeordneten optischen Elementen, wie Linse oder Linsensystem (5), einer geeigneten Anzahl von Umlenkspiegeln, die in Ihrer Anordnung und Anzahl so zueinander positioniert sind, dass diese den Lichtstrahl (2) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zweimal auf Spiegelfacetten des Polygonspiegels (4) leiten und dieser nacheinander die Facette 4a und beim zweiten Kontakt die Facette 4b trifft, sowie in geeigneter Weise dazu eine oder mehrere angeordnete Blende/n (8). Die Planspiegel bzw. Umlenkspiegel können in den verschiedenen Ausführungsformen auch vor der Linse bzw. dem Linsensystem (5) angeordnet sein. Dem Polygonspiegel (4) nachgeordnet ist eine Galvanometerspiegel (9), der so positioniert ist, dass dieser den Lichtstrahl (2) nach der zweiten Ablenkung vom Polygonspiegel auf den Projektionsschirm (10) leitet.
Durch die Linse bzw. Linsensystem (5) wird der Lichtstrahl (2) kollimiert oder auf den Projektionsschirm (10) fokussiert. Die Umlenkspiegel (6; 7...) sind so zueinander angeordnet, dass diese den Lichtstrahl (2), wie beschrieben, ein zweites Mal auf den Polygonspiegel (4) richten. An einer zweiten Spiegelfacette wird der Strahl (2) reflektiert und auf den Galvanometerspiegel (9) gerichtet, der zur Bilderzeugung eine Ablenkung in oder nahezu vertikale Richtung (senkrecht bzgl. der Papierebene von 1) bewirkt. Der Strahldurchmesser auf der 2. Facette entspricht etwa der Breite der Spiegelfacette.
Neben der oben genannten Funktion hat die Linse/Linsensystem (5) noch eine zweite Aufgabe: Je nach Lage des rotierenden Polygonspiegels (4) wird der Lichtstrahl (2) an der 1. Facet te (4a) in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Zunächst hat der Strahl die Richtung F1 danach die Richtung F2.
Die Linse/Linsensystem (5) sorgt dafür, dass der Auftreffpunkt des Strahles auf der 2. Facette (4b) praktisch unverändert bleibt, obwohl diese sich infolge der Rotation des Polygonspiegels (4) weiter bewegt (mitbewegter Strahl, Positionen F1 und F2). Gleichzeitig ändert sich der Einfallswinkel bzgl. der 2. Facette, und es kommt dadurch zu einer Vergrößerung des horizontalen Scanwinkels im Bild (entsprechend der Auswahl geeigneter Spiegel), siehe auch 5. Die Brennweite der Linse/Linsensystem (5) muss mindestens so groß gewählt werden, dass damit ein Fehler durch den veränderlichen Abstand zur Facettenoberfläche, radialer Hub durch die Rotation, vernachlässigbar bleibt, siehe 5 und 9.
Die Zahl und Anordnung der Umlenkspiegel zwischen beiden Facetten kann vom Beispiel in 1 abweichen. Es ist z. B. auch möglich eine größere Anzahl von Umlenkspiegeln zu verwenden. Eine weitere Ausführung diesbezüglich ist aus 10 zu entnehmen. Wichtig ist, dass die beiden Funktionen, d. h. mitbewegter Strahl sowie Vergrößerung des Scanwinkels, erhalten bleiben.
Es ist auch möglich das Prinzip auf mehr als 2 Facettenflächen zu verallgemeinern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus der Kombination mit einer zusätzlichen infraroten Lichtquelle, um somit sowohl Rot-Grün-Blau-Strahlung (RGB) als auch Infrarot in ein Bild zu scannen. Dazu wird beispielsweise das von einem zusätzlichem Laser stammende Infrarotsignal über einen dichroitischen Spiegel in den Strahlengang der Lichtfaser (2), z. B. in 1 oder 10, vor der 1. Spiegelfacette (4a) eingebunden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen
1 schematisch das Prinzip der erfindungsgemäßen Scannereinheit für eine lasergestützte Farbbildanzeige- und Projektionsvorrichtung, von der die Erfindung ausgeht;
2 schematisch das Prinzip der erfindungsgemäßen Scannereinheit nach 1 als Seitenansicht, wobei je nach Erfordernis der Winkel β einstellbar ist;
Der Lichtweg muss nicht in einer Ebene mit dem Polygonspiegel (4) liegen. Dies wird aus 2 deutlich. Es liegt ein Winkel von 2β zwischen Faser und Linse (5) und den Umlenkspiegeln vor. Dies hat den Vorteil einer platzsparenden Bauweise. Die Umlenkspiegel sind in einer Ebene liegend dargestellt.
3 das Prinzip der erfindungsgemäßen Scannereinheit nach 1 als Seitenansicht, wobei im Unterschied zu 2 die Facettenflächen des Polygonspiegels (4) bezüglich der Drehachse geneigt sind. Die Strahlrichtung von der Faser kommend und direkt vor dem Galvanometerspiegel (9) steht senkrecht zur Drehachse des Polygonspiegels (4).
Im Gegensatz zu 2 werden so auf einer ebenen Wand gerade Zeilen gescannt. Nach 2 würden sich Hyperbeln ergeben.
4 den Aufbau eines konventionellen Laserscanners nach dem Stand der Technik in der Draufsicht;
In 4 ist der Prinzipaufbau eines konventionellen Scanners dargestellt. Die Auslenkung der Zeilen in horizontaler Richtung werden durch die Rotation des Polygonspiegels realisiert, während der Galvanometerspiegel die Lage der Zeilen in vertikaler Richtung festlegt. So wird das Bild analog wie die Elektronenstrahlen bei der Fernsehbildröhre durch Ablenkung von Laserstrahlen erzeugt. Jede einzelne Facette des Polygonspiegels erzeugt eine Zeile im Bild. Infolge der Rotation bewegt sich die jeweilige Facette in lateraler Richtung durch den von der Faserauskopplung (3) kommenden kollimierten Laserstrahl. Dadurch wird nur ein Teil des einfallenden Strahles reflektiert und nur dieser Teil ist am Bildaufbau beteiligt, der Rest bleibt ungenutzt, 5 links. Die Faserauskopplung (3) (in der Regel ein Achromat) kollimiert den Strahl (2) oder fokussiert ihn auf den Projektionsschirm (10). Es wird nur jeweils eine Spiegelfacette pro Zeile genutzt (bei Faserduo zwei Zeilen). Der Strahldurchmesser am Polygonspiegel entspricht in etwa der Breite der Facette.
5 die Lage der Lichtstrahlen bei einem beispielsweise 6-flächigen Polygonspiegels für zwei aufeinander folgende Zeitpunkte;
In 5 ist die Vignettierung des Lichtstrahles dargestellt. Im linken Teilbild (konventioneller Laserscanner) ist dargestellt, wie sich die Facettenfläche durch den Lichtstrahl hindurch bewegt. Dadurch kommt es von F1 nach F2 zu einer Beschneidung des Strahles.
Aus dem rechten Teilbild (erfindungsgemäße Scannereinheit) ist zu entnehmen, dass der Lichtstrahl die zweite Facette 4b immer auf die gleiche Stelle trifft, und durch seine Mitbewegung es zu keiner veränderlichen Beschneidung kommt. Im Unterschied zum konventionellen Scanner (linkes Bild) ist bei dieser Scannereinheit der so genannte Einfriereffekt des einfallenden Strahles und die Änderung seiner Richtung erkennbar.
Die Entstehung der Vignettierung wird aus dem linken Bild verständlich. Die Begrenzung der Lichtbündel ist hier gepunktet dargestellt.
6 einen typischen Helligkeitsverlauf in horizontaler Bildrichtung für einen Laserprojektor gemäß 4 (konventionell);
Die horizontale Lage 0 (1) entspricht dem linken (rechten) Bildrand.
Die drei Hauptfarben Rot, Grün und Blau unterscheiden sich etwas hinsichtlich der Helligkeitsverteilung, dadurch kann eine Randverfärbung auftreten.
7 einen Helligkeitsverlauf für einen geringeren Strahldurchmesser (etwa 1/3) im Vergleich zu 6;
In der Bildmitte ist die Helligkeit praktisch konstant. Der Randabfall ist deutlich geringer. Der Randabfall kann weiter reduziert werden, indem das Bild durch geringfügige Randbeschneidung schmaler gestaltet wird.
Der Verlust an Lichtenergie durch Vignettierung beträgt nur 5% (Beispiel von 6: 17%).
Der Gradient des Randabfalles wird etwas größer.
8 die Darstellung der möglichen Vergrößerung der Pixelzahl durch größere Scanwinkel;
Der Strahldurchmesser auf dem Projektionsschirm (10) bleibt unverändert. Das Verhältnis zwischen Bildgröße und Strahldurchmesser im Bild wird aber größer. Bei einer größeren Bilddarstellung durch Winkeländerungen können bei gleichbleibendem Strahldurchmesser mehr Pixel im Bild untergebracht werden. Es wird damit möglich, höhere Bildformate zu erzielen (z. B: QXGA).
9 die Darstellung der Strahlrichtung im oberen Bild; Darstellung des Strahldurchmessers im unteren Bild.
Die Brennweiten von Faserauskopplung sowie der nachfolgenden Linse sind f_FAK bzw. f. Ein Kreuzungspunkt der Strahlen befindet sich am Ort der Blende.
Foci befinden sich am Faserende, nach der 1. Facette sowie in der Nähe des relativ weit entfernten Projektionsschirmes. Die entsprechenden Symbole für die Längen sind angegeben.
10 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Scannervorrichtung mit 4 Umlenkspiegeln.
Die oben beschriebene Vignettierung des Strahles bei der bisherigen Ausführung führt nun zur Reduktion der Helligkeit im Bild, insbesondere am rechten und linken Bildrand, siehe 6. Darüber hinaus kommt es zu unerwünschten Randverfärbungen im Bild. Letzterer Effekt erklärt sich aus Unterschieden in der Helligkeitsverteilung im Lichtstrahl für die drei Hauptfarben Rot, Grün und Blau. Die Helligkeitsverteilung der einzelnen Farben wird durch die Lichtleitfaser bestimmt und hängt insbesondere von den Krümmungen der Faser ab, lässt sich also kaum gezielt beeinflussen.
Mit der hier beschriebenen Erfindung werden diese genannten Effekte wesentlich verringert. Das geschieht an der ersten Facette durch eine starke Reduktion des Strahldurchmessers auf z. B. 1/3 der Facettenbreite. Die Facette wird zwar durch den Strahl geführt, aber die meiste Zeit wird der Strahl nicht beschnitten. Wenn er zu weit in den Randbereich der Facette tritt, wird das Licht infolge der Zeilenlücke ausgeschaltet, d. h. dieser Facettenbereich trägt nicht oder nur in geringem Umfang zur Bilderzeugung bei. Auf die zweite Facette trifft der Strahl mit einem Durchmesser von etwa einer Facettenbreite. Da sich der Strahl nun mit dieser Facette mitbewegt, d. h. hier quasi eingefroren ist, kommt es ebenfalls zu keiner störenden Vignettierung bzw. die Vignettierung ist wesentlich schwächer als beim konventionellen Laserscanner, 4 und 5.
In überraschender Weise sind durch dieses erfindungsgemäße Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung die Realisierung von größeren Scanwinkeln bei unverändertem Polygonspiegel möglich.
Bereits oben wurde geschildert, wie die Linse (5) nach der 1. Facette dafür sorgt, dass der Einfallswinkel auf die 2. Facette variiert. Der horizontale Scanwinkel vergrößert sich gegenüber der konventionellen Lösung, 4, etwa um ein Drittel des Einfallswinkels. Es ergibt sich z. B. anstelle eines horizontalen Scanwinkels von 26° (bei einem 25-flächigen Polygon) ein horizontaler Scanwinkel von 35°. Die Anzahl der Spiegelfacetten des Polygons liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 50. Besonders geeignet sind Polygone mit 20 bis 30 Flächen/Spiegelfacetten.
Damit ein Bildformat von z. B. 4:3 unverändert bleibt hat das zwingend zur Folge, dass auch der vertikale Scanwinkel proportional vergrößert wird. Das kann man über den Galvanometerspiegel (9) problemlos realisieren.
Weiterhin ist es möglich, dass der Scanwinkel variabel einstellbar ist, ohne dass eine Änderung de Lichtleistung im Bild erforderlich wird.
Die Winkeländerung des Einfallswinkels wird durch eine Verschiebung von Faserauskopplung, Linse sowie der Umlenkspiegel über einen bestimmten Bereich eingestellt. Beispielweise kann man für den einfallenden Strahl eine Winkeländerung zwischen 3° bis 10° einstellen. Dies würde horizontale Scanwinkel im Bereich von 29° bis 36° ergeben. Dazu ist gegebenenfalls eine Umjustierung der Vorrichtung in an sich bekannter Weise erforderlich. Man könnte so zugleich auf die Entwicklung des einen oder anderen teuren Objektives verzichten.
Ein weiterer Vorteil wird in der Vergrößerung der Pixelzahl im Bild bei unverändertem Polygonspiegel und unveränderter Strahlqualität deutlich.
Durch eine Vergrößerung der Scanwinkel kann man mehr Pixel im Bild unterbringen, wenn man annimmt, dass der Strahldurchmesser auf dem Schirm unverändert bliebt. Letzteres ist gegeben wenn der Strahldurchmesser auf der 2. Facette identisch mit dem Strahldurchmesser auf der Facette in 4 (konventioneller Scanner) ist. Angenommen wir erhöhen den horizontalen Scanwinkel von 26° auf 36°, dann lässt sich die Pixelzahl im gesamten Bild nahezu verdoppeln. Wir erhalten dann einen deutlichen Auflösungsgewinn bei gleicher Strahlqualität.
Zur besseren Darstellung des optischen Strahlenganges sollen nachfolgende Erläuterungen und Beispiele dienen.
Anhand der 1 ist der optische Strahlengang nur ungenau erkennbar. Betrachten wir dazu die 9.
Außerdem nehmen wir ohne Beschränkung der Allgemeinheit vereinfachend an, dass β = 0 (siehe 2 und 3).
Für die weiteren Betrachtungen werden folgende Größen vorgegeben:
Hi, i = 0, ..., 5: maximaler Abstand der Lichtstrahlen zueinander an der Position i
αi, i = 0, ..., 5: maximaler Winkel zwischen den Lichtstrahlen an der Position i
β: vertikaler Winkel bzgl. Polygonfacetten, siehe 2 und 3
θi, i = 0, ..., 5: Divergenzwinkel des Lichtstrahles im Fernfeld an der Position i
Di, i = 0, ..., 5: Strahldurchmesser an der Position i
Positionen i:
1: Faserende
3: Faserauskopplung (FAK)
4a: 1. Facette
5: Linse bzw. Linsensystem
8: Blende
4b: 2. Facette
Als erstes berechnen wir eine Relation zwischen den Scanwinkeln nach der 1. und der 2. Spiegelfacette (4a; 4b):
Mit
ergibt sich:
Wegen
sowie Gln. (1) folgt:
Für den Strahldurchmesser gilt die Beziehung:
Mit den Näherungen D_4b ≈ D₅ sowie L'₂ ≈ f und Gleichung (3) sowie der Annahme, dass die Blende den Strahldurchmesser nicht wirksam reduziert, ergibt sich folgende Relation zwischen den Strahldurchmessern an der 1. und 2. Spiegelfacette (4a; 4b):
L₈ berechnet sich nach der Beziehung:
mit der Einfrierbedingung für den Strahl an der zweiten Facette: H4b = B (8)wobei B gleich der Verschiebung der 2. Facette senkrecht zur Strahlrichtung ist, während eine Zeile von links nach rechts im Bild gescannt wird.
Außerdem gilt:
Wegen Gleichungen (4, 7–9):
Damit wird gesichert, dass der Strahl wie gefordert mitbewegt (,eingefroren') wird.
Wie muss die Faserauskopplung eingestellt sein? Der Strahldurchmesser D5 soll identisch mit dem Strahldurchmesser an der Faserauskopplung (FAK) des konventionellen Laserscanner sein, damit am Schirm der gleiche Strahldurchmesser vorliegt; vgl. Bemerkungen zu 8. θ₁ wird dabei von der Lichtleitfaser vorgegeben.
Also muss gelten: f_FAK tanθ₁ = f tanθ₃ bzw.:
Wegen:
sowie:
folgt: L3 + L4a – L'4a = f + fFAK (14) Und es folgt schließlich:
sowie:
Nachfolgende Ausführungsbeispiele sein dazu genannt:

a) gegeben sind: η = 1/4, f_FAK = 40 mm, f = 80 mm, D_4b = 5 mm, α_4a = 26°, β = 0°, B = 4.3 mm

Es ergeben sich daraus:
α_4b = 34,7°, D_4a = 1,67 mm, H₅ = 49,3 mm, L₁ = 60 mm,
L₃ = 93,3 mm, L_4a = 106,7 mm, L'_4a = 80 mm,
L₅ = 320 mm, L₈ = 26,0 mm

b) gegeben sind: η = 1/5, f_FAK = 40 mm, f = 80 mm, D_4b = 5 mm, α_4a = 26°, β = 0°, B = 4,0 mm

Es ergeben sich daraus:
α_4b = 31,2°, D_4a = 1,00 mm, H₅ = 44,3 mm, L₁ = 60 mm,
L₃ = 104 mm, L_4a = 96 mm, L'_4a = 80 mm,
L₅ = 480 mm, L₈ = 43,3 mm

c) gegeben sind: η = 1/8, f_FAK = 50 mm, f = 80 mm, D_4b = 5 mm, α_4a = 26°, β = 0°, B = 4,0 mm

Es ergeben sich daraus:
α_4b = 29,3°, D_4a = 0.63 mm, H₅ = 41,6 mm, L₁ = 81 mm,
L₃ = 120 mm, L_4a = 90 mm, L'_4a = 80 mm,
L₅ = 720 mm, L₄ = 69,3 mm.

1: Lichtfaser
2: Lichtstrahlbündel
3: Faserauskopplungseinheit
4: Polygonspiegel
4a: Facettenspiegel a
4b: Facettenspiegel b
5: Linse bzw. Linsensystem
6: Umlenkspiegel 1
7: Umlenkspiegel 2
8: Blende
9: Galvanometerspiegel
10: Projektionsschirm/-fläche
11: Umlenkspiegel 3
12: Umlenkspiegel 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004001389 B4 [0001, 0011]
- DE 4324849 C2 [0003, 0003]
- EP 1031866 A2 [0004]
- US 5838480 A [0005]
- JP 2001194608 A [0006]
- JP 20011350116 A [0007]
- DE 69417174 T2 [0008]
- DE 4041240 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche (10), welches zeilenweise mit moduliertem Lichtstrahl aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in ihrer Intensität veränderbaren Lichtquelle, mit daran gekoppelten Lichtfasereinheiten (1), dadurch gekennzeichnet, dass der/die Lichtstrahlbündel (2) nach Verlassen der Lichtfasereinheit/en (1) – durch eine Faserauskopplungseinheit (3) nach der Faser geleitet wird/werden, die entlang der optischen Achse in der Art angeordnet ist/sind und – über eine Ablenkeinrichtung mit einem Polygonspiegel (4) geleitet wird/werden, wobei der/die Lichtstrahlbündel (2) zweimal hintereinander auf Spiegelfacetten (4a; 4b) des Polygonspiegels (4) in der Art trifft/treffen, dass dieser die zweite Spiegelfacette (4b) an der gleichen Stelle schneidet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mit dem der/die Lichtstrahlbündel (2) auf eine erste Spiegelfacette (4a) des Polygonspiegels (4) trifft so dimensioniert ist, dass er an den Facettenkanten nicht beschnitten wird.
Verfahren nach den Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mit dem der/die Strahl/en (2) auf eine erste Spiegelfacette (4a) des Polygonspiegels (4) trifft so dimensioniert ist, dass die Helligkeit am Bildrand des Projektionsbildes bezogen auf die Bildmitte nicht unter einem Wert von 70% abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mit dem der/die Lichtstrahlbündel (2) auf eine zweite Spiegelfacette (4b) des Polygonspiegels (4) trifft so dimensioniert ist, dass dieser auf dem Projektionsschirm (10) einen kleinst möglichen Lichtpunkt erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser mit dem der/die Lichtstrahlbündel (2) auf eine zweite Spiegelfacette (4b) des Polygonspiegels (4) trifft so dimensioniert ist, dass dieser einen größeren Scanwinkel als an der ersten Spiegelfacette (4a) erzeugt.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Lichtstrahlbündel (2) innerhalb der Ablenkeinrichtung so über eine geeignete Linse bzw. Linsensystem (5), einer geeigneten Anzahl von Umlenkspiegeln und gegebenenfalls einer Blende oder Blendensystem (8) nacheinander geleitet wird/werden, dass diese den/die Lichtstrahlbündel (2) nach der ersten Spiegelfacette (4a) so der zweiten Spiegelfacette (4b) zuleiten, so dass eine Vergrößerung des Scanwinkels bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge in der/die Lichtstrahlbündel (2) durch die Linse bzw. Linsensystem (5) und einer geeigneten Anzahl von Umlenkspiegeln geleitet wird, beliebig gestaltbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der verwendeten Umlenkspiegel einer geraden Zahl entspricht.
Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Lichtstrahlbündel (2) durch einen Galvanometerspiegel (9) nach der zweiten Ablenkung von den Spiegelfacetten des Polygonspiegels (4) geleitet wird/werden und dieser der/die Lichtstrahlbündel (2) zur Bilderzeugung auf den Projektionsschirm (10) leitet.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein IR-Signal vor Auftreffen des Lichtstrahlbündels (2) auf die erste Spiegelfacette (4a) des Polygonspiegels (4) über einen dichroitischen Spiegel in dessen Strahlengang eingebunden wird.
Ablenkvorrichtung zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche (10), welches zeilenweise mit moduliertem Lichtstrahl aufgebaut ist, mit mindestens einer ein Lichtbündel aussendenden, in ihrer Intensität veränderbaren Lichtquelle, mit daran gekoppelten Lichtfasereinheiten (1) und einer Faserauskoppeleinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem Polygonspiegel (4) mit einer geeigneten Anzahl von Spiegelfacetten, nachgeordneten optischen Elementen, wie Linse oder Linsensystem (5), einer geeigneten Anzahl von Umlenkspiegeln sowie nachgeordneten Blende bzw. Blendensystem (8), wobei die Umlenkspiegel in Ihrer Anordnung und Anzahl so zueinander positioniert sind, dass diese den Lichtstrahl (2) ein zweites Mal auf die Spiegelfacetten des Polygonspiegels (4) leiten und dabei die zweiten Spiegelfacetten an der gleichen Stelle geschnitten werden und einem Galvanometerspiegel (9), der so positioniert ist, dass dieser den Lichtstrahl (2) auf den Projektionsschirm (10) leitet.
Ablenkvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenflächen des Polygonspiegels (4) bezüglich der Drehachse geneigt sind.
Ablenkvorrichtung nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Umlenkspiegel (6; 7) verwendet werden.
Ablenkvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl an Umlenkspiegeln verwendet werden.
Ablenkvorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse bzw. Linsensystem (5) unmittelbar nach dem Polygonspiegel (4) und vor den Umlenkspiegeln angeordnet ist.
Ablenkvorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse bzw. Linsensystem (5) zwischen den Umlenkspiegeln angeordnet ist.
Ablenkvorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse bzw. Linsensystem (5) mindestens eine solche Brennweite besitzt, so dass ein Fehler durch den veränderlichen Abstand zur Facettenoberfläche vernachlässigbar bleibt.
Ablenkvorrichtung nach den Ansprüchen 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkvorrichtung eine Faserauskoppeleinheit (3) vorgeordnet ist, die mit den Bestandteilen der Ablenkeinrichtung so zueinander positioniert sind, dass diese eine Winkeländerung des Einfallswinkels bewirken.