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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren von Nutzdaten auf eine Projektionsfläche umfassend eine Ansteuervorrichtung mit einem ersten Eingang zum Koppeln mit einer Quelle für die zu projizierenden Nutzdaten, mindestens einem ersten Ausgang zur Bereitstellung eines Ansteuersignals bei einer ersten Wellenlänge, und mindestens einem zweiten Ausgang zur Bereitstellung eines Ansteuersignals bei einer zweiten Wellenlänge. Die Projektionsvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine erste Laservorrichtung zur Abgabe von Strahlung der ersten Wellenlänge, wobei die erste Laservorrichtung mit dem ersten Ausgang der Ansteuervorrichtung gekoppelt ist, mindestens eine zweite Laservorrichtung zur Abgabe von Strahlung der zweiten Wellenlänge, wobei die zweite Laservorrichtung mit dem zweiten Ausgang der Ansteuervorrichtung gekoppelt ist sowie mindestens eine Strahlvereinigungsvorrichtung zum Vereinigen von zumindest der Strahlung bei der ersten und der zweiten Wellenlänge. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Verfahren zum Projizieren von Nutzdaten auf eine Projektionsfläche.
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Stand der Technik
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Bei der Datenprojektion mit Laserstrahlen mittels des so genannten Flying-Spot-Prinzips besteht ein großes Problem darin, die Leistung der einzelnen Laser und die resultierende Spotfarbe konstant zu halten. Während der Spot das darzustellende Bild aufbaut, können sich beispielsweise in Abhängigkeit von der Gesamthelligkeit des Bildes die Temperatur und die Leistung der Bauteile verändern. Dabei können Änderungen von bis zu 5 % sogar innerhalb einer Zeile auftreten. Dies führt zu merklichen Bildartefakten.
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Zur Gewinnung einer Rückkoppelgröße zur Regelung der Helligkeit ist dabei aus dem Stand der Technik die in 1 dargestellte Anordnung bekannt. Diese umfasst drei Laserdioden 10 R, 10 B, 10 G, die rotes, blaues beziehungsweise grünes Licht abgeben. Mittels einer jeweils zugeordneten Kollimationsoptik 12 R bis 12 G wird der Strahl auf ein strahlvereinigendes Prisma 14 geleitet. Im Prisma 14 sind drei Strahlteiler 16 R, 16 B, 16 G angeordnet, die der jeweiligen Farbe zugeordnet sind. Ein Großteil der Gesamtleistung jedes Laserkanals wird auf einen Mikrospiegel 18 geleitet. Ein kleiner Teil der Gesamtleistung wird auf eine dem jeweiligen Laserkanal zugeordnete Photodiode 20 R, 20 B, 20 G geleitet. Die jeweilige Photodiode 20 R, 20 B, 20 G erzeugt ein Rückkoppelsignal, das der jeweiligen Ansteuervorrichtung für die Laserdioden 10 R, 10 B, 10 G zur Regelung der Helligkeit des jeweiligen Laserstrahls zugeführt wird. Um zu gewährleisten, dass die jeweiligen Photodioden 20 R, 20 B, 20 G nur die Leistung eines Kanals messen, sind den 20 R, 20 B, 20 G entsprechende Farbfilter 22 R, 22 B, 22 G vorgeschaltet. Die Summe der bei dieser Vorgehensweise verwendeten Bauelemente, insbesondere die Summe an Strahlteilern und Filtern, macht diese Lösung sehr teuer und aufwändig.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Art beziehungsweise ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass Bildartefakte infolge von Temperatur- und Leistungsvariationen der beteiligten Bauteile auf möglichst kostengünstige Weise reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Projektionsvorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 17.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem optischen Element das Bündel der Laserstrahlen der einzelnen Laserdioden über totale interne Reflexion umgelenkt werden kann, wenn die entsprechenden Winkel geeignet gewählt werden. Bringt man ein Auskoppelelement an der Umlenkfläche an, so wird an dieser Stelle die totale interne Reflexion verhindert. Dadurch wird über das Auskoppelelement ein kleiner Teil der Strahlung ausgekoppelt. Wählt man für das Auskoppelelement ein dispersives Element, das heißt ein Element mit einem wellenlängenabhängigen Brechungsindex, treten aufgrund der Dispersivität die einzelnen Farben des Strahls unter verschiedenen Winkeln aus dem Auskoppelelement aus. Diesen Einzelstrahlen unterschiedlicher Farbe können dann jeweilige Photodioden zugeordnet werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung können demnach Strahlteiler und wellenlängenselektive Filter entfallen. Dies reduziert die Kosten für eine derartige Projektionsvorrichtung erheblich. Aufgrund der geringen Anzahl von verwendeten Komponenten kann die Projektionsvorrichtung auf kleinstem Raum aufgebaut werden, so dass Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in Handys, erschlossen werden, die mit der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise bisher nicht zugänglich waren.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich eine gattungsgemäße Projektionsvorrichtung deshalb weiterhin dadurch aus, dass die Projektionsvorrichtung weiterhin eine Umlenkvorrichtung umfasst, die im Strahlengang nach der Strahlvereinigungsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Umlenkvorrichtung eine Begrenzungsfläche aufweist, die ausgelegt ist, zumindest die Strahlung bei der ersten und der zweiten Wellenlänge durch totale interne Reflexion umzulenken. Mit der Begrenzungsfläche ist erfindungsgemäß ein Auskoppelelement gekoppelt, das ausgelegt ist, zumindest einen Teil der auf die Begrenzungsfläche auftretenden Strahlung zumindest der ersten und der zweiten Wellenlänge aus der Umlenkvorrichtung auszukoppeln.
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Besonders bevorzugt ist das Auskoppelelement als dispersives Element ausgebildet. Je stärker das Auskoppelelement dispersiv ist, umso deutlicher ist der Unterschied in den Winkeln, unter denen die Strahlen der unterschiedlichen Wellenlängen aus dem Auskoppelelement austreten.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Auskoppelelement auch eine Unstetigkeitsstelle in der Begrenzungsfläche der Umlenkvorrichtung darstellen. Beispielsweise kann ein Kratzer, eine Beule, eine Delle oder dergleichen vorgesehen sein, um Strahlung auszukoppeln. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Umlenkvorrichtung als dispersives Element ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist die Umlenkvorrichtung als Prisma ausgebildet, wobei die Begrenzungsfläche um mindestens 41° zur Eintrittsfläche, über die die Strahlung zumindest der ersten und der zweiten Wellenlänge in das Prisma eintritt, geneigt ist. Dies berücksichtigt, dass die TIR(Total Inner Reflection)-Winkelforderung α > arcsin(1/n) ist, wobei n für den Brechungsindex steht. Bei den Materialen BK1 und BK5 der Firma Schott ist n = 1,5: Daraus ergibt sich α = 41,8°.
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Wird diese Forderung erfüllt, wird eine totale innere Reflexion sichergestellt. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn das Auskoppelelement derart beschaffen ist, dass durch das an der Begrenzungsfläche angebrachte Auskoppelelement die TIR-Winkelforderung gebrochen wird. Durch das Anbringen des Koppelelements wird demnach in dem Bereich, in dem das Auskoppelelement angebracht ist, die innere Reflexion verhindert, so dass die Strahlung durch das Auskoppelelement ausgekoppelt wird.
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Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang die Austrittsfläche, aus der die von der Begrenzungsfläche reflektierte Strahlung zumindest der ersten und der zweiten Wellenlänge aus dem Prisma austritt, in einem solchen Winkel zur Begrenzungsfläche angeordnet, dass die TIR-Winkelforderung gebrochen wird. Auf diese Weise findet an der Austrittsfläche des Prismas keine Reflexion statt, so dass die Strahlung, wie beabsichtigt, dem Umlenkspiegel zugeführt werden kann.
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Weiterhin bevorzugt umfasst die Projektionsvorrichtung eine Sensorvorrichtung, die mindestens ein erstes photosensitives Element umfasst, das ausgelegt und angeordnet ist, über das Auskoppelelement ausgekoppelte Strahlung der ersten Wellenlänge zu erfassen, sowie mindestens ein zweites photosensitives Element, das ausgelegt und angeordnet ist, über das Auskoppelelement ausgekoppelte Strahlung der zweiten Wellenlänge zu erfassen. Auf diese Weise können die Anteile der Gesamtstrahlung wellenlängenspezifisch erfasst und der Ansteuervorrichtung zur Korrektur zugeführt werden.
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Das mindestens eine photosensitive Element kann durch mindestens ein CCD-Element und/oder mindestens eine Photodiode gebildet sein.
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Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens ein erstes erstes und ein zweites erstes einander zugeordnetes photosensitives Element umfassen, die ausgelegt sind, Strahlung der ersten Wellenlänge zu erfassen, sowie mindestens ein erstes zweites und ein zweites zweites einander zugeordnetes photosensitives Element, die ausgelegt sind, Strahlung der zweiten Wellenlänge zu erfassen. Auf diese Weise wird für jede Laservorrichtung ein positionsempfindlicher Photodetektor kreiert, mit dem eine Wellenlängendrift gemessen werden kann. Pro Laservorrichtung sind demnach zwei photosensitive Elemente vorhanden. Diese werden anfangs kalibriert, beispielsweise so, dass jeder Photodetektor einen bestimmten Anteil der Strahlung der entsprechenden, zugeordneten Laservorrichtung erfasst. Durch Wellenlängendrift ändert sich der Anteil, den der jeweilige Photodetektor erfasst, so dass auf diese Weise eine Wellenlängendrift erfasst und ebenfalls korrigiert werden kann.
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Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang das erste erste und das zweite erste photosensitive Element einerseits und/oder das erste zweite und das zweite zweite photosensitive Element andererseits jeweils zueinander benachbart angeordnet. Besonders bevorzugt grenzen die beiden einer Laservorrichtung zugeordneten photosensitiven Elemente aneinander an, so dass die Reduktion des Anteils eines der beiden photosensitiven Elemente infolge von Wellenlängendrift beim anderen photosensitiven Element zu einem Zuwachs führt.
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Besonders vorteilhaft sind deshalb das erste erste, das zweite erste, das erste zweite und das zweite zweite photosensitive Element als streifenförmige Photodioden ausgebildet. Dies bietet überdies den Vorteil, dass die jeweiligen Photodioden bereits optimal zueinander ausgerichtet und positioniert sind.
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Die Sensorvorrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ausgebildet, zumindest die auf das erste erste und das zweite erste photosensitive Element auftreffende Strahlung getrennt zu erfassen. Dadurch wird eine Korrektur der Wellenlängendrift ermöglicht.
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Weiterhin bevorzugt ist im optischen Pfad vor der Sensorvorrichtung mindestens eine optische Fokussiervorrichtung, insbesondere eine Linse und/oder ein Spiegel angeordnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein möglichst großer Anteil der ausgekoppelten Strahlung auf die photosensitiven Elemente fällt. Dadurch lassen sich die gewonnenen Ergebnisse verbessern. Weiterhin kann dadurch der ausgekoppelte Strahlungsanteil reduziert werden, so dass der dem Umlenkspiegel zugeführte Strahlungsanteil maximiert werden kann.
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Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang zumindest für das erste erste und das zweite erste photosensitive Element eine erste optische Fokussiervorrichtung und/oder für das erste zweite und das zweite zweite photosensitive Element eine zweite optische Fokussiervorrichtung vorgesehen. Dies ermöglicht eine Verkleinerung der jeweiligen photosensitiven Elemente, wodurch sich ein weiterer Kostenvorteil ergibt. Besonders bevorzugt ist das Auskoppelelement derart ausgebildet, dass es weiterhin die mindestens eine optische Fokussiervorrichtung bildet. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Gestaltung der Oberfläche des Auskoppelelements erreicht werden. Dadurch lassen sich weitere Kosten sparen. Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die Grenzfläche zwischen der Umlenkvorrichtung und dem Auskoppelelement zumindest teilverspiegelt. Dies berücksichtigt, dass lediglich ein kleiner Anteil des jeweiligen Laserstrahls zur Erzeugung einer Regelgröße benötigt wird. Zu diesem Zweck sollte das Auskoppelelement entsprechend klein ausgebildet sein, was jedoch zu Problemen bei der Fertigung und Positionierung führen kann. Durch die teilverspiegelte Ausbildung der Grenzfläche zwischen Umlenkvorrichtung und Auskoppelelement kann das Auskoppelelement größer gestaltet werden, ohne dass ein unerwünscht großer Anteil des Laserstrahls ausgekoppelt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Projektionsvorrichtung;
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2 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Auskoppelvorrichtung;
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3 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Auskoppelvorrichtung; und
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4 qualitativ unterschiedliche Auftrennungen des Gesamtstrahls in die einzelnen Laserstrahlen.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele gelten die mit Bezug auf die 1 eingeführten Bezugszeichen, soweit sie gleiche oder gleich wirkende Elemente betreffen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung 24. Dabei wird ein Strahlenbündel 26, das Strahlungsanteile einer ersten, einen zweiten und einer dritten Wellenlänge, insbesondere RBG-Strahlung, umfasst, auf ein Prisma 28 geleitet. Das Prisma 28 ist erfindungsgemäß zwischen dem strahlvereinigenden Prisma 14 und dem Umlenkspiegel 18, siehe 1, angeordnet. Die Begrenzungsfläche 30 des Prismas 28 ist vorliegend um 45° zur Eintrittsfläche 32 des Prismas 28 geneigt. Auf diese Weise ist die TIR-Winkelforderung erfüllt, so dass das Strahlenbündel 26 an der Begrenzungsfläche 30 eine totale interne Reflexion erfährt. Das Prisma 28 ist aus dispersiven Material gebildet. Ein Auskoppelelement 34 aus stark dispersiven Material ist an der Begrenzungsfläche 30 angebracht. Sind die einander zugewandten Flächen des Prismas 28 und des Auskoppelelements 34 hoch poliert, hält das Auskoppelelement 34 ohne weitere Maßnahmen an der Begrenzungsfläche 30, beispielsweise aufgrund von Kohäsionskräften und /oder Adhäsionskräften und/oder Wasserstoffbrückenbindungen. Alternativ kommen andere Befestigungsmaßnahmen, beispielsweise Kleben, in betracht.
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Das Auskoppelelement 34 sorgt dafür, dass die TIR-Winkelforderung gebrochen wird, so dass das Strahlenbündel 26 in dem Bereich, in dem das Auskoppelelement das Prisma 28 kontaktiert, nicht reflektiert wird. Dadurch, dass das Auskoppelelement 34 aus stark dispersivem Material, das heißt einem Material mit einem stark wellenlängenabhängigen Brechungsindex gebildet ist, treten die einzelnen Farben des Strahlenbündels 26 unter verschiedenen Winkeln aus dem Auskoppelelement 34 aus. Durch einen geeigneten Sensor können die einzelnen Lichtleistungen getrennt voneinander gemessen werden und zur Korrektur der Helligkeit der jeweiligen Farbe einer Ansteuervorrichtung für die Laserdioden, die den Strahl der jeweiligen Farbe erzeugen, zugeführt werden. Vorliegend sind jeder Farbe zwei Photodioden zugeordnet; dem blauen Strahl die Photodioden 20 B1 und 20 B2, dem grünen Strahl die Photodioden 20 G1 und 20 G2 und dem roten Strahl die Photodioden 20 R1 und 20 R2. Auf diese Weise ist für jede Farbe ein positionsempfindlicher Photodetektor geschaffen, mit dem auch eine Wellenlängendrift in Abhängigkeit beispielsweise einer Temperaturänderung erfasst und korrigiert werden kann. Damit lassen sich wellenlängenselektive Filter, wie sie für die Filter 22 R, 22 B, 22 G im Stand der Technik, siehe 1, verwendet werden, ersetzen.
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Das Auskoppelelement 34 stellt insbesondere ebenfalls ein Prisma oder eine Linse dar.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel bleibt der Strahldurchmesser vom Auskoppeln bis zur Messung gleich. Dadurch müssen die Photodioden weit genug vom Auskoppelelement entfernt sein, damit sich die Strahlen der unterschiedlichen Farben klar voneinander getrennt haben. 4a zeigt beispielsweise den Zustand bei einer schlechten Strahltrennung, 4b den Zustand bei einer guten Strahltrennung und 4c den Zustand bei einer noch besseren Strahltrennung. Um bei vorgegebenem Bauraum einen Zustand gemäß 4c zu erzielen, wird eine Ausführungsform gemäß 3 vorgeschlagen.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die ausgekoppelten Strahlen mittels einer optischen Fokussiervorrichtung 36, die insbesondere eine Linse oder einen Spiegel darstellen kann, auf die Photodioden fokussiert. Auf diese Weise können überdies die Photodioden verkleinert werden. Die Funktion der optischen Fokussiervorrichtung 36 kann auch in das Auskoppelelement 34 integriert werden, und zwar durch entsprechende Gestaltung der Oberfläche des Auskoppelelements 34. Es kann pro Farbe eine separate optische Fokussiervorrichtung vorgesehen werden.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Grenzfläche zwischen Prisma 28 und Auskoppelelement 34 teilverspiegelt. Dadurch kann das Auskoppelelement 34 größer hergestellt werden, ohne dass ein unerwünscht großer Strahlungsanteil durch das Auskoppelelement 34 verloren geht.
