DE102011079059A1

DE102011079059A1 - Detektionseinrichtung für einen projektor

Info

Publication number: DE102011079059A1
Application number: DE201110079059
Authority: DE
Inventors: Jan Oliver Drumm
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-01-17
Also published as: WO2013007445A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektionseinrichtung (11) für einen Projektor (R), insbesondere multichromen Laserprojektor, wobei die Detektionseinrichtung mindestens ein Paar von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) mit einem gemeinsamen vorbestimmten Wellenlängen-Arbeitsbereich (A) und mindestens einen den Farbfiltern nachgeschalteten Fotodetektor (16r1, 16r2; 16g1, 16g2; 16b1, 16b2) aufweist, wobei die Farbfilter eines Paars von Farbfiltern innerhalb ihres Wellenlängen-Arbeitsbereichs einen jeweiligen sich streng monoton in Abhängigkeit von einer Wellenlänge (λ) ändernden Transmissionsgrad (T1r, T2r) mit zueinander unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen. Die Erfindung betrifft auch ein System (R, 11) mit einem Projektor (R) und einer Detektionseinrichtung (11), wobei der Projektor (R) mindestens eine Laserlichtquelle (LDr, LDg, LDb) und eine Reflektoreinrichtung (M) aufweist, wobei die Reflektoreinrichtung (M) dazu eingerichtet ist, Licht von der mindestens einen Laserlichtquelle (LDr, LDg, LDb) auf eine Projektionsfläche (F) zu reflektieren. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Lichtstrahls.

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektionseinrichtung für einen Projektor, insbesondere für eine Detektion einer Wellenlänge und/oder eines Lichtstroms eines multichromes Licht abstrahlenden Laserprojektors (multichromer Laserprojektor), insbesondere eines RGB-Laserprojektors. Die Erfindung betrifft ferner ein System mit einem Projektor und einer Detektionseinrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Detektieren mindestens einer Eigenschaft eines Lichtstrahls, insbesondere eines multichromen Laserprojektors. Die Erfindung ist insbesondere einsetzbar zur Detektierung und Korrektur einer temperaturabhängigen Drift einer Wellenlänge und/oder eines Lichtstroms. Der Laserprojektor kann insbesondere ein Lichtpunkt-Laserprojektor, insbesondere "Flying-Spot"-Projektor, oder ein mit einer bildgebenden Reflektionseinrichtung ("Imager") ausgerüsteter Laserprojektor sein.
Bei Projektoren, insbesondere Projektoren mit Laserlichtquellen ("Laserprojektoren"), kann durch eine Erwärmung oder Abkühlung der Lichtquellen eine Verschiebung oder Drift einer Spitzenwellenlänge (oder eines Schwerpunkts eines emittierten Lichtspektrums) und/oder eine Änderung eines Lichtstroms des von ihnen emittierten Lichts auftreten. Durch diese thermisch induzierte Drift der Wellenlänge ergibt sich eine für einen Betrachter erkennbare Farbverschiebung, insbesondere eines durch verschiedenfarbiges Licht erzeugten Mischlichts. Beispielsweise kann aus RGB-Farbkomponenten zusammengesetztes weißes Mischlicht erkennbar farbstichig werden. Typische thermische Driften betragen 0,2 nm/K bis 0,25 nm/K für rotes Licht (mit einer Spitzenwellenlänge von 635 nm bis 645 nm) emittierende Laserdioden und 0,05 nm/K für grünes Licht (510 nm bis 535 nm Spitzenwellenlänge) oder blaues Licht (440 nm bis 465 nm) emittierende Laserdioden. Eine typische spektrale Breite der Laserdioden beträgt typischerweise weniger als 1 nm. Innerhalb dieser Bandbreite können mehrere longitudinale Moden auftreten.
Analog bewirkt eine Änderung des Lichtstroms eine erkennbare Änderung einer Helligkeit, z.B. eines durch den Projektor erzeugten Bilds.
Eine Messmethode zur Bestimmung einer (Spitzen-)Wellenlänge und eines Lichtstroms einer Farbkomponente eines multichromen Mischlichts (d.h., eines Mischlichts mit mehreren Farbkomponenten oder Spitzenwellenlängen oder Wellenlängenbereichen) besteht in einer Verwendung einer Leuchtdichtemesskamera (z.B. Technoteam LMK 40). Dabei wird ein Mess-Lichtstrahl mit potenziell mehreren Farbkomponenten mittels einer CCD-Kamera mit vorgelagerten Farbfiltern aufgenommen. Beispielsweise können ein bis vier Farbfilter verwendet werden, z.B. zur Nachbildung einer Tri-Stimulus-Charakteristik ("Color Matching Function") oder einer V_Lambda-Charakteristik nur für eine Bestimmung einer Helligkeit. Die Farbfilter sind an einem motorgetriebenen, rotierenden Farbrad angeordnet, welches einen jeweiligen Farbfilter vor die CCD-Kamera dreht. Ein Summenfarbort des Mischlichts wird bestimmt durch eine Bildaufnahme für jeden einzelnen Farbfilter und eine anschließende Berechnung des Summenfarborts. Eine typische Messzeit liegt im Bereich von mehreren zehn Sekunden. Diese Messmethode weist verschiedene Nachteile auf. So ist die Messzeit für praktische Anwendungen häufig zu langsam, so dass insbesondere keine Echtzeiteffekte gemessen werden können. Um schmalbandiges Laserlicht messen zu können, müssen zudem die Filtercharakteristiken aller Farbfilter über den gesamten sichtbaren Spektralbereich eine hohe Absolutgenauigkeit aufweisen. Reale (dielektrisch beschichtete oder dichroitische) Farbfilter können hingegen von Ihren entsprechenden Soll-Hüllkurven. Während sich bei spektral breitbandigen Lichtquellen diese Artefakte wegmitteln, entstehen bei Lasern Messfehler, die größer sind als drei MacAdams-Standardabweichungen. Diese Messmethode ist folglich für Laserprojektoren nicht anwendbar.
Eine weitere Messmethode beruht auf einer Verwendung eines Spektrometers, z.B. Instruments System CAS Typ 140. Dabei werden ein Gitter-Monochromator mit feststehendem Gitter und eine CCD-Zeile verwendet. Die Messzeit liegt im Bereich von mehreren 100 Millisekunden. Auch diese Messmethode ist für praktische Anwendungen häufig zu langsam. Zudem ist eine spektrale Auflösung zu gering. Bei Verwendung eines feineren Gitters des Gitter-Monochromators kann nicht mehr das volle RGB-Spektrum gemessen werden. Außerdem ist keine Aufnahme und Bewertung von vollständigen Projektionsbildern möglich.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit zur schnellen und einfachen Bestimmung eines Farborts und einer Helligkeit eines Lichtstrahls eines Projektors, insbesondere Laserprojektors, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Detektionseinrichtung, wobei die Detektionseinrichtung mindestens ein Paar von Farbfiltern mit einem gemeinsamen vorbestimmten Wellenlängen-Arbeitsbereich und mindestens einen den Farbfiltern nachgeschalteten Fotodetektor aufweist. Die Farbfilter eines Paars von Farbfiltern weisen innerhalb ihres Wellenlängen-Arbeitsbereichs einen jeweiligen sich streng monoton in Abhängigkeit von einer Wellenlänge ändernden Transmissionsgrad mit zueinander unterschiedlichem Vorzeichen auf (d.h., dass eines der Farbfilter einen mit der Wellenlänge streng monoton steigenden Transmissionsgrad aufweist und der andere Farbfilter einen mit der Wellenlänge streng monoton fallenden Transmissionsgrad aufweist).
Diese Detektionseinrichtung weist den Vorteil auf, dass sie mit einem geringen apparativen Aufwand und ohne oder mit nur wenigen aktiv anzusteuernden Komponenten auswertbare Sensorsignale erzeugt, die eine schnelle und hochgenaue Bestimmung einer Lichteigenschaft (insbesondere einer Wellenlänge und eines Lichtstroms) in Echtzeit erlauben. Dadurch wird beispielsweise eine Regelung eines die Detektionseinrichtung nutzenden Projektors zur Korrektur von Farb- und/oder Helligkeitsabweichungen möglich. Dies wiederum erhöht eine Bildkonstanz und folglich Bildqualität.
Die Detektionseinrichtung ist insbesondere zur Zusammenarbeit mit einem Projektor, insbesondere Bildprojektor, geeignet. Die Detektionseinrichtung ist insbesondere zur Zusammenarbeit mit einem Laserprojektor geeignet.
Die Transmissionsgrade der Farbfilter eines Paars von Farbfiltern können einen gleichen oder einen unterschiedlichen Absolutwert ihrer (lokalen) Steigung aufweisen. Ein Transmissionsgrad kann insbesondere zumindest im Wesentlichen linear steigend bzw. fallend sein.
In einer besonders schnell detektierenden Ausführung ist einem jeweiligen Paar von Farbfiltern ein gemeinsamer Strahlteiler vorgeschaltet, einem ersten Farbfilter des Paars von Farbfiltern ein erster Fotodetektor nachgeschaltet und einem zweiten Farbfilter des Paars von Farbfiltern ein zweiter Fotodetektor nachgeschaltet. Dadurch können die Sensorsignale der Fotodetektoren des zugehörigen Wellenlängen-Arbeitsbereichs simultan erzeugt werden.
Es ist möglich, dass die Detektionseinrichtung nur ein Paar von Farbfiltern und zugehörigen Fotodetektoren aufweist, beispielsweise zur Detektion von Licht eines einfarbig oder monochrom strahlenden Projektors.
Es ist eine für eine gleichzeitige Detektion mehrerer Farbkomponenten vorteilhafte Ausgestaltung, dass die Detektionseinrichtung mehrere Paare von Farbfiltern und zugehörigen Fotodetektoren aufweist. So können insbesondere die Lichteigenschaften mehrerer Farbkomponenten gleichzeitig bestimmt werden. Beispielsweise können die Paare von Farbfiltern den Farben rot, grün bzw. blau entsprechen.
Es ist eine alternative Ausgestaltung, dass das mindestens eine Paar von Farbfiltern auf einem Farbrad angeordnet ist und dem Farbrad ein Fotodetektor nachgeschaltet ist. Auf den Fotodetektor fällt also nur das zeitlich sequenziell durch die Farbfilter gefilterte Licht. Durch diese Ausgestaltung ist ein apparativer Aufwand verringerbar. Insbesondere kann eine Umdrehungsgeschwindigkeit des Farbrads an eine Bildwiderholrate des Projektors angepasst sein.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Fotodetektoren jeweils mindestens eine Fotodiode aufweisen. Fotodioden sind preiswert und schnell reagierend. Mit der Hilfe einer mit Fotodioden ausgerüsteten Detektionseinrichtung kann insbesondere ein Lichtpunkt-Laserprojektor ausgemessen werden, welcher einen Bildaufbau über eine sequenzielle Folge von Bildpunkten ("Pixel-by-Pixel") durchführt. Hierbei können die Lichteigenschaften (Wellenlänge, Lichtstrom usw.) für jeden Bildpunkt sequenziell und unabhängig vom nächsten Bildpunkt ("Pixel") bestimmt werden. Dies ist auch für Bilder mit einer hohen Zahl an Bildpunkten möglich, da schnelle Fotodioden mit einer Anstiegszeit von unter einer Nanosekunde erhältlich sind. Lichtpunkt-Laserprojektor umfassen beispielsweise Flying-Spot-Projektoren, bei denen ein bildpunktweise modulierter Lichtstrahl über mindestens einen beweglichen Spiegel rasterweise auf eine Projektionsfläche gelenkt wird.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Fotodetektoren als CCD-Sensoren (insbesondere CCD-Kameras) ausgestaltet sind. Dadurch kann ein ganzes Bild oder Teilbild analysiert bzw. können simultan die Lichteigenschaft(en) der Bildpunkte eines ganzen Bilds oder Teilbilds detektiert werden. Mit der Hilfe einer mit CCD-Sensoren ausgerüsteten Detektionseinrichtung kann insbesondere ein Projektor ausgemessen werden, welcher mit einer bildgebenden Reflektoreinrichtung ausgerüstet ist. Typischerweise wird diese großflächig mit mindestens einem Lichtstrahl bestrahlt, und eine Reflexion an der Reflektoreinrichtung wird bildpunktabhängig durchgeführt. Die bildgebende Reflektoreinrichtung kann beispielsweise einen Flächenlichtmodulator (engl. "Spatial Light Modulator", SLM), insbesondere bestehend aus matrixförmig angeordneten Mikrospiegelaktoren, aufweisen, z.B. einen DMD ("Digital Mirror Device") der Fa. Texas Instruments. Die bildgebende Reflektoreinrichtung kann auch ein LCoS-Display umfassen.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet ist, aus den Sensorsignalen des mindestens einen Fotodetektors für ein Paar von Farbfiltern einen Lichtstrom, eine Wellenlänge (absolute Wellenlänge und/oder Differenzwellenlänge) und/oder mindestens eine daraus abgeleitete oder damit zusammenhängende Größe (beispielsweise eine Helligkeit) zu bestimmen, insbesondere eines oder mehrerer Bildpunkte. Insbesondere können der Lichtstrom als auch die Wellenlänge unabhängig voneinander bestimmt werden. Dies vereinfacht eine Erkennung und Korrektur von Abweichungen, insbesondere thermisch indizierten Abweichungen.
Es sei nun rein beispielhaft angenommen, dass der erste Farbfilter zumindest in seinem Wellenlängen-Arbeitsbereich einen mit steigender Wellenlänge streng monoton (insbesondere linear) steigenden Transmissionsgrad T₁ aufweist und dass der zweite Farbfilter dort mit steigender Wellenlänge einen streng monoton (insbesondere linear) fallenden Transmissionsgrad T₂ aufweist.
Die aktuelle absolute Wellenlänge λ_L des auf die Farbfilter einfallenden Lichts kann als Δλ = λ_L – λ_ref. (1) ausgedrückt werden, wobei ∆λ einer Wellenlängedifferenz oder Differenzwellenlänge zwischen λ_L und einer Referenzwellenlänge λ_Ref entspricht. Die Referenzwellenlänge λ_Ref kann innerhalb oder außerhalb des Wellenlängen-Arbeitsbereichs des Farbfilters liegen. Für eine hohe Dynamik wird es bevorzugt, dass die Referenzwellenlänge λ_Ref innerhalb des zugehörigen Wellenlängen-Arbeitsbereichs liegt. Für diese Erfindung kann, falls es sich aus dem Zusammenhang nicht anders erschließt, ein Bezug auf eine Wellenlänge sowohl eine absolute Wellenlänge, z.B. λ_L, als auch eine Wellenlängedifferenz, z.B. ∆λ, betreffen, insbesondere da sich die beiden Größen durch eine einfache Addition mit einem konstanten Wert, z.B. λ_Ref, ineinander umrechnen lassen. Insbesondere mag ein Transmissionsgrad T₁ und/oder T₂ auf die Referenzwellenlänge λ_Ref kalibriert sein.
Folglich können die Transmissionsgrade T₁ und T₂ für die Wellenlänge λ_L des auf die Farbfilter einfallenden Lichts (welches eine temperaturbedingte Erhöhung oder Verringerung seiner Wellenlänge erfahren kann) ausgedrückt werden als T₁(λ_L) = T₁(λ_ref) + (dT₁/dλ)Δλ (2) und T₂(λ_L) = T₂(λ_ref) – (dT₂/dλ)Δλ. (3)
Je stärker sich die Steigungen der Kurven der beiden Transmissionsgrade T₁ und T₂ unterscheiden und je größer die Steigungen sind, desto höher ist die Auflösung bezüglich der Wellenlänge. Es ist vorteilhaft, aber nicht zwingend, dass sich die Transmissionsgrade T₁ und T₂ linear mit der Wellenlänge ändern. Die Kurven der Transmissionsgrade T₁ und T₂ können, aber brauchen sich nicht zu schneiden.
Es folgt, dass sich die Sensorsignale I_P1 und I_P2 des ersten Fotodetektors bzw. des zweiten Fotodetektors ausdrücken lassen als:
α und β stellen bekannte Proportionalitätskonstanten dar, welche insbesondere ein Verhältnis der Höhe des Sensorsignals I_P1 bzw. I_P2 zu dem Lichtstrom P herstellen können.
Für die Annahme, dass ein Spektrum des auf die Fotodetektoren auftreffenden Lichts im Wesentlichen nur eine (Spitzen-)Wellenlänge zeigt, also ähnlich einer Dirac'schen Delta-Funktion ist, d.h. f(λ_L) = f(δ(λ – λ_L)) = λ_L, (6) folgt insbesondere
Der Lichtstrom P (häufig auch als Lichtleistung bezeichnet) kann dann mit Hilfe der Beziehung
bestimmt werden.
Aus den obigen Parametern kann auch die Differenzwellenlänge oder Wellenlängendifferenz ∆λ (und damit gemäß Gl. (1) die aktuelle Wellenlänge λ_L) bestimmt werden, insbesondere mit Hilfe der Beziehung
Für einen ersten Spezialfall, dass α = β = 1 (11) gilt, d.h., dass ein Strahlteiler einen einfallenden Eingangslichtstrahl gleichmäßig aufspaltet und weiter T₁(λ_Ref) = T₂(λ_Ref) = c (12) gilt, d.h., dass die Transmissionsgrade T₁ und T₂ für die Referenzwellenlänge λ_Ref einen gleichen Wert c aufweisen und sich folglich die Kurven dort schneiden, folgt
und
Dies ermöglicht eine vereinfachte Berechnung oder Bestimmung. Unter der weiteren Annahme für einen zweiten Spezialfall, dass dT₂/dλ = dT₁/dλ = m (15) gilt, d.h., dass die Steigungen der beiden Kurven den gleichen Absolutwert annehmen, reduziert sich die Berechnung weiter auf
bzw. auf
Anhand der Formeln lassen sich also die Wellenlänge λ_L und/oder die Wellenlängendifferenz ∆λ zu der Referenzwellenlänge λ_Ref und der Lichtstrom P auf einfache Weise unabhängig voneinander bestimmen.
Ein zeitliches Auflösungsvermögen kann insbesondere von einer Auslesegeschwindigkeit (d.h. einer Anstiegszeit und einer Integrationszeit) des Fotodetektors und eines nachgeschalteten elektronischen Schaltkreises abhängen. Fotodioden mit Anstiegszeiten von weniger als einer Nanosekunde sind bekannt, z.B. Alphalas UPD-500.
Eine Auflösungsgenauigkeit bezüglich der Wellenlänge und des Lichtstroms hängt u.a. von einer spektralen Steilheit der Filtertransmission und von einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Fotodetektoren ab. Bei einem Transmissionsgrad im Bereich von ca. 50%, einer Änderung des Transmissionsgrads von ca. 10%/nm und einer Genauigkeit des Fotodetektors von 8 bit beträgt die Wellenlängenauflösung ca. 0,02 nm.
Die oben angestellten Berechnungen können auch auf nicht-Dirac'sche Spektren abgewandet werden. Es kann dann z.B. der Schwerpunkt des Spektrums bzw. der Wellenlängen ermittelt werden. Für die Form des Spektrums kann beispielsweise f(λ_Laser) = Σ(λ_ref + Δλ_i)·P₁ (18) angenommen werden. Der Schwerpunkt der Wellenlängen des Spektrums ergibt sich dann zu
Zusammen mit Gl.(4) ergibt sich
und analog I_P2 = β·(P·T₂ + dT₂/dλ·λ_s·P), (23) woraus sich wieder der Lichtstrom P und die Wellenlängendifferenz ∆λ bestimmen lassen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein System mit einem Projektor und einer Detektionseinrichtung wie oben beschrieben. Dieses System weist die gleichen Vorteile auf wie die Detektionseinrichtung und kann analog ausgestaltet sein. Die Detektionseinrichtung kann insbesondere in den Projektor integriert sein. Die Detektionseinrichtung kann alternativ als ein separates Gerät vorliegen, welches insbesondere datentechnisch mit dem Projektor verbunden ist.
Der Projektor kann insbesondere eine Reflektoreinrichtung aufweisen, wobei die Reflektoreinrichtung dazu eingerichtet ist, Licht von der mindestens einen Lichtquelle als Bild auf eine Projektionsfläche zu reflektieren.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Projektor mindestens eine Laserlichtquelle oder Laser aufweist. Die mindestens eine Laserlichtquelle kann beispielsweise mindestens eine Laserdiode umfassen, was den Vorteil einer besonders kompakten Bauform und preiswerten Herstellung ermöglicht.
Laserdioden weisen typischerweise eine spektrale Breite von weniger als einem Nanometer auf.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Projektor mehrere Lichtquellen, insbesondere Laserlichtquellen, aufweist, die Licht unterschiedlicher Farbe (insbesondere unterschiedlicher Spitzenwellenlänge) emittieren. Dadurch kann der Projektor Mischlicht mit einem Summenfarbort in einem entsprechend aufgespannten Farbbereich (Gamut) erzeugen. Das Mischlicht mag ein paralleles Mischlicht sein, d.h., dass ein von den Lichtquellen erzeugter Lichtstrahl zu einem bestimmten Zeitpunkt mehrere Farbkomponenten aufweisen kann. Das Mischlicht mag alternativ ein sequenzielles Mischlicht sein, d.h., dass das Mischlicht durch eine zeitliche Abfolge mehrerer einzelner Farbkomponenten gekennzeichnet ist, welche durch die Trägheit des Auges als Mischlicht wahrgenommen werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Projektor mehrere Lichtquellen, insbesondere Laserlichtquellen, aufweist, welche Licht der Farben rot, grün bzw. blau emittieren können ("RGB-Projektor"). So kann mittels des Projektors insbesondere ein weißes Mischlicht erzeugt werden und im Wesentlichen der gesamte dem Menschen zugängliche Farbraum abgedeckt werden. Der Projektor mag aber zusätzlich oder alternativ andersfarbige Lichtquellen aufweisen (z.B. bernsteinfarben), beispielsweise um einen noch realistischeren Farbeindruck zu erzeugen.
Durch die Detektionseinrichtung kann insbesondere eine Lichteigenschaft (Wellenlänge, Lichtstrom usw.) für jede Farbkomponente des Projektors bestimmt werden und jede Farbkomponente bezüglich dieser Lichteigenschaft unabhängig korrigiert werden. Insbesondere können so Summenfarborte von farblich gemischtem Licht konstant gehalten werden. Dazu mag eine entsprechende Regeleinrichtung vorgehen sein. Dies kann insbesondere für jeden einzelnen Bildpunkt durchgeführt werden. Alternativ, insbesondere bei einem einen Imager aufweisenden Projektor, kann die Bestimmung für die Farbkomponenten eines gesamten Bilds durchgeführt werden.
Die Detektionseinrichtung kann das zu analysierende Licht grundsätzlich an verschiedenen Orten abgreifen. So kann ein in die Detektionseinrichtung einfallender oder geführter Lichtstrahl ("Mess-Lichtstrahl") vor der Reflektoreinrichtung abgezweigt werden. Damit können die (ggf. farbkomponentenabhängigen) Lichteigenschaften eines Lichtstrahls insbesondere eines Lichtpunkt-Laserprojektors, insbesondere eines Flying-Spot-Projektors, auch bildpunktweise erfasst werden.
Alternativ mag der Mess-Lichtstrahl nach der Reflektoreinrichtung abgezweigt werden.
Auch mag der Mess-Lichtstrahl eine Reflexion eines durch den Projektor auf eine Projektionsfläche geworfenen Bilds sein.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Projektor ein Lichtpunkt-Laserprojektor, insbesondere Flying-Spot-Projektor, ist und die Detektionseinrichtung eine Detektionseinrichtung ist, bei der die Fotodetektoren jeweils mindestens eine Fotodiode aufweisen. Dieser Detektor ermöglicht mit besonders einfachen Mitteln in Echtzeit eine, auch bildpunktweise, Bestimmung mindestens einer Lichteigenschaft des modulierten Lichtstrahls des Lichtpunkt-Laserprojektors, insbesondere einer Wellenlänge und eines Lichtstroms für jede Farbkomponente.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Projektor ein Projektor ist, bei dem die Reflektoreinrichtung eine bildgebende Reflektoreinrichtung oder Imager ist und die Detektionseinrichtung Fotodetektoren aufweist, die als CCD-Sensoren ausgestaltet sind. Dadurch lässt sich in Echtzeit für ganze Bilder eine, auch bildpunktweise, Bestimmung mindestens einer Lichteigenschaft des Lichtstrahls des Projektors erreichen, insbesondere einer Wellenlänge und eines Lichtstroms für jede Farbkomponente. Es ist dazu besonders vorteilhaft, wenn die Bildauflösung des CCD-Sensors höher ist als die Bildauflösung des Projektors.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Lichtstrahls, insbesondere eines multichromen Laserprojektors, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: Getrenntes Filtern des Lichtstrahls mittels mindestens eines Paars von Farbfiltern mit einem gemeinsamen vorbestimmten Wellenlängen-Arbeitsbereich; Detektieren des durch die Farbfilter gefilterten Lichtstrahls mittels mindestens eines Fotodetektors; und Bestimmen der mindestens einen Eigenschaft des Lichtstrahls aus einer Verknüpfung von zu zwei Farbfiltern eines Paars von Farbfiltern gehörigen Sensorsignalen des mindestens einen Fotodetektors, wobei die Farbfilter eines Paars von Farbfiltern innerhalb des Wellenlängen-Arbeitsbereichs einen jeweiligen sich streng monoton in Abhängigkeit von einer Wellenlänge ändernden Transmissionsgrad mit zueinander unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Bestimmen der mindestens einen Eigenschaft des Lichtstrahls ein Bestimmen eines Lichtstroms des Lichtstrahls, z.B. mit Hilfe der Beziehung nach Gleichung (9), und/oder ein Bestimmen einer Wellenlänge bzw. Wellenlängendifferenz des Lichtstrahls mit Hilfe der Beziehung nach Gleichung (10) umfasst.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt eine Skizze einer Detektionseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt eine Auftragung von Transmissionsgraden zweier Farbfilter über einen gemeinsamen Wellenlängen-Arbeitsbereich;
3 zeigt ein System aus einem mit einem Imager ausgerüsteten Projektor und einer Detektionseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 zeigt eine Skizze der Detektionseinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
5 zeigt ein System aus einem mit einem Imager ausgerüsteten Projektor und einer Detektionseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform; und
6 zeigt eine Skizze der Detektionseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform.
1 zeigt eine Skizze einer Detektionseinrichtung 11 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Detektionseinrichtung 11 ist in einen RGB-Flying-Spot-Projektor R integriert.
In die Detektionseinrichtung 11 fällt ein multichromer Mess-Lichtstrahl LM ein. Dieser kann beispielsweise von mehreren Laserdioden erzeugt werden, deren Licht zusammengeführt ist. Die Laserdioden umfassen hier mindestens eine rotes Licht ausstrahlende bzw. "rote" Leuchtdiode LDr, mindestens eine grünes Licht ausstrahlende bzw. "grüne" Leuchtdiode LDg und mindestens eine blaues Licht ausstrahlende bzw. "blaue" Leuchtdiode LDb. Das Licht der Laserdioden LDr, LDg und LDb weist eine schmale, für praktische Zwecke quasi-dirac'sche spektrale Breite von weniger als einem Nanometer auf. Das rote Licht kann insbesondere eine "rote" Referenzwellenlänge λ_Ref bei Raumtemperatur zwischen 635 nm und 645 nm aufweisen. Analog können die "grüne" Referenzwellenlänge λ_Ref beispielsweise zwischen 510 nm und 535 nm und die "blaue" Referenzwellenlänge λ_Ref beispielsweise zwischen 440 nm und 465 nm liegen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der Mess-Lichtstrahl LM ein RGB-Lichtstrahl ist, d.h. eine rote, eine grüne und eine blaue Farbkomponente aufweist. Der Mess-Lichtstrahl LM kann, wie gezeigt, insbesondere aus einem Projektionslichtstrahl LP zur Erzeugung eines Projektionsbilds abgezweigt werden (z.B. mittels eines Strahlteilers oder zeitweilig mittels eines Spiegels) oder alternativ sogar der Projektionslichtstrahl sein.
Der Mess-Lichtstrahl LM durchquert drei Strahlteiler 12r, 12g, und 12b. In jedem der Strahlteiler 12r, 12g, und 12b wird ein Teil-Mess-Lichtstrahl Lr, Lg bzw. Lb abgezweigt. Am Ausgang des letzten Strahlteilers 12b kann, insbesondere falls der Mess-Lichtstrahl LM der Projektionslichtstrahl ist, ohne eine wesentliche Abschwächung als Ausgangs-Mess-Lichtstrahl LMout wieder austreten. Alternativ, insbesondere falls der Mess-Lichtstrahl LM wie gezeigt aus dem Projektionsstrahl LP abgezweigt worden ist, mag der Ausgangs-Mess-Lichtstrahl LMout am Ausgang des letzten Strahlteilers 12b einen nur noch geringen Lichtstrom aufweisen. Der letzte Strahlteiler 12b kann dann alternativ als ein normaler Spiegel ausgestaltet sein, so dass der Mess-Lichtstrahl LM nicht mehr aus der Detektionseinrichtung 11 austritt (P(LMout) = 0).
Im Folgenden wird die Arbeitsweise für jeden einem zugehörigen Strahlteiler 12r, 12g, und 12b nachgeschalteten Farbkanal 13r, 13g bzw. 13b anhand des "roten" Farbkanals 13r beschrieben. Zur Beschreibung des "grünen" Farbkanals 13g und des "blauen" Farbkanals 13b brauchen in den Bezugszeichen nur die Buchstaben "r" gegen "g" bzw. "b" ausgetauscht zu werden.
Der Teil-Mess-Lichtstrahl Lr des roten Farbkanals 13r trifft auf einen Strahlteiler 14r, welcher den Teil-Mess-Lichtstrahl Lr in einen ersten Teilstrahl Lr1 und einen zweiten Teillichtstrahl Lr2 aufteilt. Die Teilstrahlen Lr1 und Lr2 weisen bevorzugt ein bekanntes, konstantes und insbesondere polarisationsunabhängiges Lichtstrom-Verhältnis auf.
Der erste Teilstrahl Lr1 durchläuft einen ersten Farbfilter 15r1 eines Paars von Farbfiltern 15r1, 15r2 und trifft auf einen Fotodetektor in Form einer ersten Fotodiode 16r1 eines Paars von Fotodioden 16r1, 16r2. Der zweite Teilstrahl Lr2 durchläuft einen zweiten Farbfilter 15r2 des Paars der Farbfilter 15r1, 15r2 und trifft auf einen Fotodetektor in Form einer zweiten Fotodiode 16r2 eines Paars von Fotodioden 16r1, 16r2. Die Fotodioden 16r1, 16r2 weisen Anstiegszeiten von weniger als einer Nanosekunde auf.
2 zeigt die Transmissionseigenschaften der Farbfilter 15r1 und 15r2 anhand einer Auftragung eines jeweiligen Transmissionsgrads T1r bzw. T2r über einen gemeinsamen "roten" Wellenlängen-Arbeitsbereich A zwischen einer Anfangs-Wellenlänge λ₁ und einer End-Wellenlänge λ₂, wobei eine Breite des Wellenlängen-Arbeitsbereichs A von λ₂ – λ₁ ca. 20 nm beträgt. Die Farbfilter 15r1 und 15r2 lassen rotes Licht mit einer Wellenlänge λ₁ < λ_L < λ₂ innerhalb des roten Wellenlängen-Arbeitsbereichs durch und filtern außerhalb des roten Wellenlängen-Arbeitsbereichs A liegendes Licht. Die Transmissionsgrade T1r und T2r sind linear von der Wellenlänge λ_L mit zueinander unterschiedlichem Vorzeichen abhängig. Sie weisen hier für eine besonders einfache Auswertung eine gleiche absolute Steigung m auf (mit dem Transmissionsgrad T1r des ersten Farbfilters 15r1 linear steigend und dem Transmissionsgrad T2r des zweiten Farbfilters 15r2 linear fallend) und schneiden sich in der Mitte des Wellenlängen-Arbeitsbereichs A bei der Referenzwellenlänge λ_Ref bei einem Transmissionswert c.
Wieder zurück zu 1 werden an den Fotodioden 16r1, 16r2 Sensorsignale I_P1 bzw. I_P2 erzeugt, aus denen sich sowohl ein Lichtstrom Pr des roten Farbanteils r des Projektionsstrahls des Teil-Mess-Lichtstrahls LM und damit des roten Farbanteils r des Projektionslichtstrahls als auch eine zugehörige Wellenlänge λ_L des roten Farbanteils r bestimmen lassen, und zwar gemäß
bzw. gemäß
Diese Detektionseinrichtung 11 kann insbesondere mit einem Lichtpunkt-Projektor, insbesondere Flying-Spot-Projektor R, zusammenarbeiten. Bei dem Flying-Spot-Projektor R ist der Projektionsstrahl für jede Farbkomponente bitweise moduliert und wird mittels mindestens eines drehbaren Spiegels M auf eine Projektionsfläche F geworfen. Mittels der Detektionseinrichtung 11 können Driften des Lichtstroms und der Wellenlänge jeder der drei Farbkomponenten R, G und B bzw. Farbanteile r, g, b unabhängig voneinander detektiert werden. Die Detektionseinrichtung 11 ist mit einer Korrektur- oder Regelfunktion oder einer Korrektur- oder Regeleinrichtung K des Flying-Spot-Projektor R verbunden. Mittels der Korrektur- oder Regeleinrichtung K können die Leuchtdioden LDr, LDg und LDb so gesteuert oder geregelt werden, dass sich eine möglichst geringe Abweichung von einem Sollwert einer Lichteigenschaft, z.B. des Summenfarborts oder der Helligkeit, ergibt.
3 zeigt ein System aus einem mit einer bildgebenden Reflektoreinrichtung oder Imager (o.Abb.) ausgerüsteten Projektor R2 und einer Detektionseinrichtung 21 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Detektionseinrichtung 21 und der Projektor R2 sind getrennte Geräte, welche kommunikativ über eine Datenleitung D miteinander verbunden sind. Der Projektor R2 weist ebenfalls mindestens eine rotes Licht ausstrahlende bzw. "rote" Leuchtdiode LDr, mindestens eine grünes Licht ausstrahlende bzw. "grüne" Leuchtdiode LDg und mindestens eine blaues Licht ausstrahlende bzw. "blaue" Leuchtdiode LDb auf. Der sich ergebende Projektionslichtstrahl LP2 ist jedoch kein sequentiell modulierter Lichtstrahl, sondern erzeugt ein ganzes Bild ("Frame") oder einen definierten Teil davon auf der Projektionsfläche F. Die Detektionseinrichtung 21 nutzt als ihren Mess-Lichtstrahl LM2 eine Reflexion des auf die Projektionsfläche F geworfenen Bilds.
4 zeigt eine Skizze der Detektionseinrichtung 21. Die Detektionseinrichtung 21 ist ähnlich zu der Detektionseinrichtung 11 aufgebaut, außer dass anstelle von drei Strahlteilern ein einziger Strahlteiler (Strahlteilungswürfel) 24 vorhanden ist, welcher den Mess-Lichtstrahl LM2 in die Teil-Mess-Lichtstrahlen Lr, Lg und Lb aufspaltet. Auch hier werden die Teil-Mess-Lichtstrahlen Lr, Lg und Lb in entsprechende Farbkanäle, nun bezeichnet mit 23r, 23g bzw. 23b, eingespeist. Im Folgenden wird stellvertretend nur der rote Farbkanal 23r näher beschrieben. Die Funktion des grünen Farbkanals 23g und des blauen Farbkanals 23b ist analog.
Der Teil-Mess-Lichtstrahl Lr1 wird zunächst mittels einer Linse 29 auf den Strahlteiler 14r fokussiert und dort wie in dem roten Farbkanal 13r in zwei Teillichtstrahlen Lr1 und Lr2 aufgespalten, durch den ersten Farbfilter 15r1 bzw. 15r2 gerichtet und auf Fotodetektoren gerichtet. Im Gegensatz zu der Detektionseinrichtung 11 sind die Fotodetektoren hier als CCD-Sensoren 26r1 bzw. 26r2 ausgebildet, um die Teillichtstrahlen Lr1 und Lr2 bildpunktartig auflösen zu können. Die CCD-Sensoren 26r1 bzw. 26r2 weisen dazu eine höhere Auflösung auf als das von dem Projektor R2 erzeugte Bild. Die CCD-Sensoren 26r1 bzw. 26r2 erzeugen ebenfalls, ggf. bildpunktweise aufgelöste, Sensorsignale I_P1 und I_P2, welche über die Datenleitung D an eine Korrektur- oder Regeleinrichtung K des Projektors R2 leitbar sind.
5 zeigt ein System aus dem Projektor R2 und einer weiteren Detektionseinrichtung 31. Die Detektionseinrichtung 31 ist ähnlich zu der Detektionseinrichtung 21 angeordnet und mit dem Projektor R2 verbunden und nutzt als Mess-Lichtstrahl LM2 ebenfalls das von der Projektionsfläche F reflektierte Bild.
Die Detektionseinrichtung 31 weist an ihrem Eingang ein rotierendes Farbrad 38 auf, auf welchem die Farbfilter 15r1, 15r2, 15g1, 15g2, 15b1 und 15b2 aufgebracht sind. Je nachdem, welcher der Farbfilter 15r1, 15r2, 15g1, 15g2, 15b1 und 15b2 aktuell von dem Mess-Lichtstrahl LM2 beleuchtet wird, fällt ein entsprechend gefilterter Teillichtstrahl Lr1, Lr2, Lg1, Lg2, Lb1 bzw. Lb2 auf einen CCD-Sensor 26. Durch diese, besonders einfache und preiswerte Anordnung werden die Sensorsignale I_P1 und I_P2 für jedes Paar von Farbfiltern 15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1 und 15b2 sequenziell erzeugt. Diese Sensorsignale I_P1 und I_P2 können wie die gleichzeitig erzeugten Sensorsignale zur Detektion der mindestens einen Lichteigenschaft weiterverarbeitet werden.
6 zeigt eine Skizze der Detektionseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Detektionseinrichtung (11; 21; 31) für einen Projektor (R; R2), insbesondere multichromen Laserprojektor, wobei die Detektionseinrichtung – mindestens ein Paar von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) mit einem gemeinsamen vorbestimmten Wellenlängen-Arbeitsbereich (A) und – mindestens einen den Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) nachgeschalteten Fotodetektor (16r1, 16r2; 16g1, 16g2; 16b1, 16b2; 26r1, 26r2; 26) aufweist, wobei die Farbfilter (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) eines Paars von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) – innerhalb ihres Wellenlängen-Arbeitsbereichs (A) einen jeweiligen sich streng monoton in Abhängigkeit von einer Wellenlänge (λ) ändernden Transmissionsgrad (T1r, T2r) mit zueinander unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen.
Detektionseinrichtung (11; 21) nach Anspruch 1, wobei – einem jeweiligen Paar von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) ein gemeinsamer Strahlteiler 14r, 14g, 14b; 24) vorgeschaltet ist, – einem ersten Farbfilter (15r1; 15g1; 15b1) des Paars von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) ein erster Fotodetektor (16r1; 16g1; 16b1; 26r1) nachgeschaltet ist und – einem zweiten Farbfilter (15r2; 15g2; 15b2) des Paars von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) ein zweiter Fotodetektor (16r2; 16g2; 16b2; 26r2) nachgeschaltet ist.
Detektionseinrichtung (11; 21) nach Anspruch 2, wobei die Detektionseinrichtung (11; 21) mehrere Paare von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) und zugehörigen Fotodetektoren (16r1, 16r2; 16g1, 16g2; 16b1, 16b2; 26r1, 26r2) aufweist.
Detektionseinrichtung (31) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Paar von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) auf einem Farbrad (38) angeordnet ist und dem Farbrad (38) ein Fotodetektor (26) nachgeschaltet ist.
Detektionseinrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotodetektoren jeweils mindestens eine Fotodiode (16r1, 16r2; 16g1, 16g2; 16b1, 16b2) aufweisen.
Detektionseinrichtung (21; 31) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fotodetektoren als CCD-Sensoren (26r1, 26r2; 26) ausgestaltet sind.
Detektionseinrichtung (11; 21; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektionseinrichtung (11; 21; 31) dazu eingerichtet ist, aus Sensorsignalen (I_P1, I_P2) des mindestens einen Fotodetektors (16r1, 16r2; 16g1, 16g2; 16b1, 16b2; 26r1, 26r2; 26) für ein Paar von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) einen Lichtstrom, eine Wellenlänge und/oder eine daraus abgeleitete oder damit zusammenhängende Größe zu bestimmen.
Detektionseinrichtung nach Anspruch 7, wobei der Lichtstrom mit Hilfe der Beziehung
berechnet wird.
Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Wellenlänge mit Hilfe der Beziehung
berechnet wird.
System (R, 11; R2, 21; R2, 31) mit einem Projektor (R; R2) und einer Detektionseinrichtung (11; 21; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Projektor (R; R2) – mindestens eine Laserlichtquelle (LDr, LDg, LDb) und – eine Reflektoreinrichtung (M) aufweist, wobei die Reflektoreinrichtung (M) dazu eingerichtet ist, Licht von der mindestens einen Laserlichtquelle (LDr, LDg, LDb) auf eine Projektionsfläche (F) zu reflektieren.
System (R, 11) nach Anspruch 10, bei dem der Projektor (R) ein Lichtpunkt-Projektor, insbesondere Flying-Spot-Projektor, ist und die Detektionseinrichtung (11) eine Detektionseinrichtung nach Anspruch 5 ist.
System (R2, 21; R2, 31) nach Anspruch 10, bei dem die Reflektoreinrichtung eine bildgebende Reflektoreinrichtung ist und die Detektionseinrichtung (21; 31) eine Detektionseinrichtung nach Anspruch 6 ist.
System (R, 11) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Detektionseinrichtung (11) in den Projektor (R) integriert ist.
Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Lichtstrahls (LP, LM, Lr, Lg, Lb; LP2, LM2, Lr, Lg, Lb), insbesondere eines multichromen Laserprojektors (R; R2), wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: – Getrenntes Filtern des Lichtstrahls (Lr, Lg, Lb) mittels mindestens eines Paars von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) mit einem gemeinsamen vorbestimmten Wellenlängen-Arbeitsbereich (A); – Detektieren des durch die Farbfilter (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) gefilterten Lichtstrahls (Lr, Lg, Lb) mittels mindestens eines Fotodetektors (16r1, 16r2; 16g1, 16g2; 16b1, 16b2; 26r1, 26r2; 26); und – Bestimmen der mindestens einen Eigenschaft des Lichtstrahls (LP, LM, Lr, Lg, Lb; LP2, LM2, Lr, Lg, Lb) aus einer Verknüpfung von zu zwei Farbfiltern eines Paars von Farbfiltern 15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) gehörigen Sensorsignalen (I_P1, I_P2) des mindestens einen Fotodetektors (16r1, 16r2; 16g1, 16g2; 16b1, 16b2; 26r1, 26r2; 26); wobei die Farbfilter (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) eines Paars von Farbfiltern (15r1, 15r2; 15g1, 15g2; 15b1, 15b2) – innerhalb des Wellenlängen-Arbeitsbereichs (A) einen jeweiligen sich streng monoton in Abhängigkeit von einer Wellenlänge (λ) ändernden Transmissionsgrad (T1r, T2r) mit zueinander unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bestimmen der mindestens einen Eigenschaft des Lichtstrahls (LP, LM, Lr, Lg, Lb; LP2, LM2, Lr, Lg, Lb) ein Bestimmen eines Lichtstroms des Lichtstrahls (LP, LM, Lr, Lg, Lb; LP2, LM2, Lr, Lg, Lb) mit Hilfe der Beziehung
und/oder ein Bestimmen einer Wellenlänge des Lichtstrahls (LP, LM, Lr, Lg, Lb; LP2, LM2, Lr, Lg, Lb) mit Hilfe der Beziehung
umfasst.