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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verringern des Speckle-Effekts und auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes in ein Blickfeld eines Betrachters, beispielsweise um ein Speckle reduziertes Bild im Flying Spot Verfahren projizieren zu können.
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Als Speckle werden körnige Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei einer kohärenten Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen beobachten lassen. Solche Speckle oder Flecken können für einen Betrachter als störend empfunden werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verringern des Speckle-Effekts sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bildes in ein Blickfeld eines Betrachters gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Unter Verwendung einer Anordnung aus mindestens zwei in einem Strahlgang eines Lichtstrahls nacheinander angeordneten und bezüglich ihrer Krümmung einstellbaren Linsen kann ein Speckle-Effekt reduziert werden, der beispielsweise dann auftritt, wenn der Lichtstrahl auf eine Fläche trifft, die eine gewisse Rauigkeit aufweist. Eine solche Anordnung kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer Blickfeldanzeige, einem sogenannten Head-up-Display eingesetzt werden.
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Ein Verfahren zum Verringern des Speckle-Effekts für einen auf eine Fläche treffenden Lichtstrahl umfasst die folgenden Schritte:
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Umschalten einer in einem Strahlgang des Lichtstrahls angeordneten schaltbaren ersten Linse zwischen einem ersten Krümmungszustand und einem zweiten Krümmungszustand; und
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Umschalten einer in dem Strahlgang des Lichtstrahls angeordneten schaltbaren zweiten Linse zwischen einem weiteren ersten Krümmungszustand und einem weiteren zweiten Krümmungszustand, synchronisiert zu dem Umschalten der ersten Linse.
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Bei dem Lichtstrahl kann es sich um einen gebündelten Lichtstrahl, beispielsweise eines Lasers handeln. Bei der Fläche kann es sich um eine Projektionsfläche handeln. Eine solche Projektionsfläche kann eine möglichst gerichtete Abstrahlcharakteristik aufweisen. Unter der Fläche kann somit eine „Leinwand“ mit möglicher gerichteter Abstrahlcharakteristik verstanden werden. Der Speckle-Effekt kann dadurch hervorgerufen werden, dass die Fläche, auf die der Lichtstrahl trifft, eine gewisse Rauigkeit aufweist. Der Speckle-Effekt kann zu unerwünschten Mustern innerhalb eines durch den Lichtstrahl auf die Fläche projizierten Lichtpunktes oder Lichtfeldes führen. Die erste Linse und die zweite Linse können nacheinander in dem Strahlgang des Lichtstrahls angeordnet sein. Dabei kann der Lichtstrahl auf die erste Linse treffen, durch die Grenzflächen der ersten Linse gebrochen und in Richtung der zweiten Linse abgestrahlt werden, auf die zweite Linse treffen, durch die Grenzflächen der zweiten Linse gebrochen und in Richtung der Fläche oder eines weiteren optischen Elements abgestrahlt werden. Der erste Krümmungszustand der ersten Linse kann einer ersten Krümmung oder ersten Brennweite der ersten Linse entsprechen. Der zweite Krümmungszustand der ersten Linse kann einer zweiten Krümmung oder zweiten Brennweite der ersten Linse entsprechen. Die erste Krümmung und die zweite Krümmung können sich hinsichtlich ihres Krümmungsradius oder ihrer Krümmungsrichtung unterscheiden. Somit kann die erste Linse zwischen zwei Brennweiten umgeschaltet werden. Entsprechend kann der weitere erste Krümmungszustand der zweiten Linse einer ersten Krümmung oder ersten Brennweite der zweiten Linse entsprechen. Der weitere zweite Krümmungszustand der zweiten Linse kann einer zweiten Krümmung oder zweiten Brennweite der zweiten Linse entsprechen. Somit kann die zweite Linse zwischen zwei Brennweiten umgeschaltet werden. Der erste Krümmungszustand der ersten Linse kann gleich dem weiteren zweiten Krümmungszustand der zweiten Linse sein. Alternativ kann sich der erste Krümmungszustand der ersten Linse von dem weiteren zweiten Krümmungszustand der zweiten Linse unterscheiden. Der erste Krümmungszustand und der weitere erste Krümmungszustand können aufeinander abgestimmt sein. Der zweite Krümmungszustand und der weitere zweite Krümmungszustand können ebenfalls aufeinander abgestimmt sein. Dadurch kann ein Parameter des von der Anordnung aus den Linsen abgestrahlten Lichtstrahls unabhängig von den eingestellten Krümmungszuständen der Linsen beibehalten werden. Der Parameter kann beispielsweise eine Bündelung des Lichtstrahls betreffen. Die erste Linse und die zweite Linse können identisch ausgeführt sein. Alternativ können die erste Linse und die zweite Linse unterschiedliche ausgeführt sein, sich beispielsweise in ihrem Material unterscheiden. Die Linsen können jeweils durch Anlegen eines Steuersignals in einem Krümmungszustand gehalten oder in einen Krümmungszustand überführt werden. Ein Krümmungszustand der ersten Linse kann zeitgleich mit einem Krümmungszustand der zweiten Linse umgeschaltet werden. Beispielsweise können die Linsen jeweils alternierend zwischen mindestens zwei einstellbaren Krümmungszuständen hin und her geschaltet werden. Das Umschalten zwischen zwei Krümmungszuständen bewirkt eine Änderung des Speckle-Effekts. Solche aufeinanderfolgende Änderungen können zur Reduzierung einer für einen Betrachter ersichtlichen Auswirkung des Speckle-Effekts genutzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt des Umschaltens einer in dem Strahlgang des Lichtstrahls angeordneten schaltbaren weiteren Linse zwischen noch einem weiteren ersten Krümmungszustand und noch einem weiteren zweiten Krümmungszustand, synchronisiert zu dem Umschalten der ersten Linse und der zweiten Linse, umfassen. Somit können zwei, drei oder mehr schaltbare Linsen zur Verringerung des Speckle-Effekts eingesetzt werden.
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Im Schritt des Umschaltens der zweiten Linse kann die zweite Linse so umgeschaltet werden, dass die zweite Linse den weiteren ersten Krümmungszustand aufweist, wenn die erste Linse den ersten Krümmungszustand aufweist und die zweite Linse den weiteren zweiten Krümmungszustand aufweist, wenn die erste Linse den zweiten Krümmungszustand aufweist. Dabei können der erste Krümmungszustand und der weitere zweite Krümmungszustand eine konkave Krümmung und der zweite Krümmungszustand und der weitere erste Krümmungszustand eine konvexe Krümmung der Linsen darstellen. In der Anordnung der Linsen kann jeweils eine der Linsen die Funktion einer Sammellinse und die andere der Linsen die Funktion einer Streulinse übernehmen. Die Funktionen der Linsen können sich bei jedem Umschalten der Linsen vertauschen. Auf diese Weise kann ein ursprünglich paralleles Lichtstrahlbündel, das auf die Anordnung aus den Linsen trifft, die Anordnung aus den Linsen wieder als ein paralleles Lichtstrahlbündel verlassen.
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Somit können die Krümmungszustände der Linsen so gewählt sein, dass der Lichtstrahl in kollimierter Form von der zweiten Linse abgestrahlt wird, wenn der Lichtstrahl in kollimierter Form auf die in Bezug auf den Strahlgang vor der zweiten Linse angeordnete erste Linse trifft. Eine solche Anordnung eignet sich beispielsweise zur Verwendung in einem Projektor mit Flying Spot Verfahren.
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Vorteilhafterweise kann in den Schritten des Umschaltens zwischen dem ersten Krümmungszustand und dem zweiten Krümmungszustand, sowie zwischen dem weiteren ersten Krümmungszustand und dem weiteren zweiten Krümmungszustand, innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 20ns umgeschaltet werden. Auf diese Weise können zumindest zwei, typischerweise aber wesentlich mehr Änderungen des Speckle-Musters innerhalb der Mittelungszeit des menschlichen Auges erzeugt werden. Mit anderen Worten können mindestens zwei Bilder oder Bildpunkte mit gleicher Bildinformation erzeugt werden, die jedoch unterschiedliche Ausprägungen des Speckle-Musters zeigen. Die mindestens zwei Bilder oder Bildpunkte erscheinen für das menschliche Auge überlagert, sodass sich die Speckle-Muster gegenseitig kompensieren können.
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Gemäß einer Ausführungsform können die erste Linse und die zweite Linse jeweils als eine Flüssiglinse (engl. Liquid Lense) ausgeführt sind. Eine Flüssiglinse kann aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten aufgebaut sein. Durch Anlegen eines Steuersignals kann eine Krümmung an einer Übergangsfläche zwischen den zwei verschiedenen Flüssigkeiten geändert werden. Somit kann eine Brennweite der Flüssiglinse geändert werden. Eine Flüssiglinse kann sehr einfach, schnell und reversibel in ihrem Krümmungszustand verändert werden. Zudem kann eine Flüssiglinse mit sehr kleinen Abmessungen realisiert werden.
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Im Schritt des Umschaltens der ersten Linse kann eine Steuerspannung der ersten Linse von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert umgeschaltet werden, um die erste Linse von dem ersten Krümmungszustand in den zweiten Krümmungszustand umzuschalten. Entsprechend kann im Schritt des Umschaltens der zweiten Linse eine weitere Steuerspannung der zweiten Linse von einem weiteren ersten Spannungswert auf einen weiteren zweiten Spannungswert umgeschaltet werden, um die zweite Linse von dem weiteren ersten Krümmungszustand in den weiteren zweiten Krümmungszustand umzuschalten. Entsprechende Steuerspannungen können beispielsweise von einem Steuergerät zum Steuern der Anordnung aus den Linsen bereitgestellt werden. Durch die Verwendung elektrischer Spannungen kann das Umschalten der Linsen sehr einfach durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Umschaltens der ersten Linse zwischen dem zweiten Krümmungszustand und einem dritten Krümmungszustand und einen Schritt des Umschaltens der zweiten Linse zwischen dem weiteren zweiten Krümmungszustand und einem weiteren dritten Krümmungszustand, synchronisiert zu dem Umschalten der ersten Linse zwischen dem zweiten Krümmungszustand und dem dritten Krümmungszustand, umfassen. Somit können Linsen mit mehr als zwei aufeinander abgestimmten Krümmungszuständen eingesetzt werden.
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Ein Verfahren zum Projizieren eines Bildes in ein Blickfeld eines Betrachters umfasst die folgenden Schritte:
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Leiten eines Lichtstrahls, der eine Bildinformation für einen Bildpunkt des Bildes aufweist, durch eine Anordnung aus zumindest zwei schaltbaren Linsen auf eine sich in dem Blickfeld befindliche Projektionsfläche, wobei eine erste der zumindest zwei schaltbaren Linsen zwischen einem ersten Krümmungszustand und einem zweiten Krümmungszustand, und eine zweite der zumindest zwei schaltbaren Linsen synchronisiert zu der ersten Linse zwischen einem weiteren ersten Krümmungszustand und einem weiteren zweiten Krümmungszustand umschaltbar ist; und
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Durchführen der Schritte eines genannten Verfahrens zum Verringern des Speckle-Effekts für einen auf eine Fläche treffenden Lichtstrahl, um den Speckle-Effekt des Bildpunktes zu verringern.
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Das Verfahren eignet sich zum Projizieren eines Speckle-reduzierten Bildes mit der Flying-Spot Methode. Zum Leiten des Lichtstrahls können mehrere optische Elemente, beispielsweise Spiegel oder weitere Linsen eingesetzt werden. Je nach Durchmesser des Lichtstrahls kann der Lichtstrahl eine Bildinformation für den einen Lichtpunkt oder für einen Bereich der Projektionsfläche umfassen. Der Lichtstrahl kann beispielsweise von einem Bildgeber einer Blickfeldanzeige erzeugt werden. Bei der Blickfeldanzeige kann es sich um einen laserbasierten Projektor handeln.
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Bei dem Verfahren zum Projizieren eines Bildes in ein Blickfeld eines Betrachters kann im Schritt des Leitens ein erster Lichtstrahl, der eine erste Bildinformation für einen ersten Bildpunkt aufweist, durch die Anordnung aus den zumindest zwei schaltbaren Linsen auf eine dem ersten Bildpunkt zugeordnete erste Position der Projektionsfläche geleitet werden. Zeitlich nach dem ersten Lichtstrahl kann ein zweiter Lichtstrahl, der eine zweite Bildinformation für einen zweiten Bildpunkt aufweist, durch die Anordnung aus den zumindest zwei schaltbaren Linsen auf eine dem zweiten Bildpunkt zugeordnete zweite Position der Projektionsfläche geleitet werden. Zeitlich nach dem zweiten Lichtstrahl kann ein weiterer erster Lichtstrahl, der die erste Bildinformation für den ersten Bildpunkt aufweist, durch die Anordnung aus den zumindest zwei schaltbaren Linsen auf die dem ersten Bildpunkt zugeordnete erste Position der Projektionsfläche geleitet werden. Die Zuordnung des Lichtstrahls zu den Bildpositionen kann beispielsweise durch mindestens einen Spiegel, der sich hinter den Linsen befindet umgesetzt werden. Dies kann entsprechend einem so genannten „Flying Spot“ Verfahren durchgeführt werden. Der Schritt des Durchführens kann zeitlich zwischen dem Leiten des ersten Lichtstrahls und dem Leiten des weiteren ersten Lichtstrahls durchgeführt werden. Auf diese Weise kann der Speckle-Effekt ein und desselben zu unterschiedlichen Zeitpunkten projizierten Lichtpunktes durch das Umschalten der Linsen verändert werden.
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Eine Vorrichtung zum Verringern des Speckle-Effekts für einen auf eine Fläche treffenden Lichtstrahl weist die folgenden Merkmale auf:
eine Einrichtung zum Umschalten einer in einem Strahlgang des Lichtstrahls angeordneten schaltbaren ersten Linse zwischen einem ersten Krümmungszustand und einem zweiten Krümmungszustand; und
eine Einrichtung zum Umschalten einer in dem Strahlgang des Lichtstrahls angeordneten schaltbaren zweiten Linse zwischen einem weiteren ersten Krümmungszustand und einem weiteren zweiten Krümmungszustand, synchronisiert zu dem Umschalten der ersten Linse.
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Beispielsweise kann die Vorrichtung ausgebildet sein, um ein erstes Steuersignal zum Umschalten der ersten Linse an die erste Linse und ein zweites Steuersignal zum Umschalten der zweiten Linse an die zweite Linse bereitzustellen.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Eine Vorrichtung zum Projizieren eines Bilds in ein Blickfeld eines Betrachters weist die folgenden Merkmale auf:
eine Anordnung aus zumindest zwei schaltbaren Linsen, wobei eine erste der zumindest zwei schaltbaren Linsen zwischen einem ersten Krümmungszustand und einem zweiten Krümmungszustand und eine zweite der zumindest zwei schaltbaren Linsen synchronisiert zu der ersten Linse zwischen einem weiteren ersten Krümmungszustand und einem weiteren zweiten Krümmungszustand umschaltbar ist;
eine Einrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls, der eine Bildinformation für einen Bildpunkt des Bildes aufweist, durch die Anordnung aus zumindest zwei schaltbaren Linsen auf eine sich in dem Blickfeld befindliche Projektionsfläche; und
eine genannte Vorrichtung zum Verringern des Speckle-Effekts für einen auf eine Fläche treffenden Lichtstrahl, um den Speckle-Effekt des Bildpunktes zu verringern.
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Die Vorrichtung eignet sich, um ein Speckle-reduziertes Bild mit der Flying-Spot-Methode zu projizieren. Die Vorrichtung zum Projizieren kann eine Blickfeldanzeige oder einen Teil einer Blickfeldanzeige darstellen. Die Vorrichtung zum Projizieren kann beispielsweise in einem Fahrzeug oder in einer stationären Einrichtung, beispielsweise innerhalb eines Gebäudes eingesetzt werden. Die zumindest zwei Linsen können in Bezug auf einen Strahlgang des Lichtstrahls hintereinander angeordnet sein, sodass der Lichtstrahl zuerst eine und dann die andere der Linsen durchläuft. Die Linsen können dieselbe optische Achse aufweisen.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn der Programmcode auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Somit können die in dem Programmcode definierten Schritte des Verfahrens von Einrichtungen des Computers oder der Vorrichtung umgesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung des Speckle-Effekts;
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2 eine Linse in einem ersten Krümmungszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Linse in einem zweiten Krümmungszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Anordnung aus Linsen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung einer Anordnung aus sich in einem ersten Krümmungszustand befindlicher Linsen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer Anordnung aus sich in einem zweiten Krümmungszustand befindlicher Linsen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 ein Blockschaltbild einer Blickfeldanzeige;
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9 ein Blockschaltbild einer Blickfeldanzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10 eine Darstellung des Speckle-Effekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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11 eine Darstellung des Speckle-Effekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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12 eine Darstellung des Speckle-Effekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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13 eine Darstellung eines ersten Krümmungszustands einer ersten Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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14 eine Darstellung eines ersten Krümmungszustands einer zweiten Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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15 eine Darstellung eines Steuersignals zum Ansteuern einer Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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16 eine Darstellung von Bildpunktdurchmessern eines Lichtstrahls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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17 eine Gegenüberstellung von Bildpunktdurchmessern und Strahldurchmessern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung des Speckle-Effekts. Gezeigt ist eine Rauigkeiten oder Granularitäten aufweisende Projektionsoberfläche 101, die mit kohärentem Licht 103 eines Lasers beleuchtet wird. Sphärische Wellenreflexionen von Streuzentren an der Projektionsoberfläche 101 werden von einem Auge 105 eines Betrachters erfasst.
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Eine solche Projektionsoberfläche 101 kann beispielsweise bei einer Blickfeldanzeige in Form eines laserbasierten Projektionsgerätes verwendet werden. Ein laserbasiertes Projektionsgerät erzeugt wechselseitige Interferenzen von Wellenfronten unterschiedlicher Phasen mit der Projektionsoberfläche 101, beispielsweise in Form eines Schirms. Dies führt aufgrund von Schirmoberflächengranularitäten zu Speckleintensitätsverteilungen, wie es in 1 dargestellt ist. Speckle erscheinen, wenn kohärentes Licht 103 von der als Schirm verwendeten Oberfläche 101 gestreut wird, die diese Granularitäten aufweist. Das Auge 105 des Betrachters, das eine endliche Blende aufweist, wird kleine Bereiche sehen, die unterschiedliche Lichtintensitäten aufweisen.
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Head-up-Displays (HUD), auch Blickfeldanzeigen genannt, stellen Fahrinformationen in dem Blickfeld des Fahrers da. Solche HUD-Geräte bestehen aus einer Anordnung aus einem Bildgeber und einer oder mehreren optischen Komponenten, wie Linsen und/oder Spiegeln.
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Im Fall eines laserbasierten Bildgebers wird das Bild auf eine Oberfläche 101 projiziert, die abhängig von dem zu ihrer Realisierung verwendeten Material als auch abhängig von ihren eigenen optischen Eigenschaften unterschiedliche Rauigkeiten zeigt. Das auf der Projektionsoberfläche 101 angezeigte Bild wird dann von den unterschiedlichen optischen Elementen gesammelt und auf die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs oder auf einen schrägen Kombinierer (engl. Combiner) reflektiert. Dadurch erkennt der Fahrer, schwebend vor ihm in einer vorgegebenen Entfernung, ein vergrößertes virtuelles Abbild des Bildgebers. Der optische Aufbau ist für eine gegebene Ausgangsposition des Kopfs des Fahrers optimiert.
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Aufgrund des von dem Laser abgegebenen kohärenten Lichts zeigt das reflektierte Licht eine zufällige Verteilung von schmalen Punkten mit veränderlichen Intensitäten, sogenannte Speckles. Diese Speckles sind für einen Betrachter an einer bestimmten Position sichtbar und verschlechtern die Bildqualität, indem sie sichtbare kleine Felder mit zufälligen Lichtintensitätsschwankungen hervorrufen.
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Um die Bildqualität in Bezug auf den Speckle-Effekt zu bestimmen, wird eine vereinfachte Formel verwendet, um den Speckle-Kontrast, also eine Kontrastveränderung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, zu bestimmen:
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Dabei ist der Speckle-Kontrast C definiert als das Verhältnis aus der Standardabweichung σI aus den Intensitätsabweichungen und dem Durchschnitt der Intensität 〈I〉.
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Weiterhin hängt der Kontrast reziprok von der Quadratwurzel aus der Anzahl der Moden N des Lichtfelds ab. Unterschiedliche Moden können beispielsweise durch die Nutzung von Polarisationsvariationen, Wellenlängenvariationen oder räumliche Ausbreitungsvariationen des Lichtfelds realisiert werden. Um den Kontrast zu minimieren und dadurch die Qualität des Bildes zu verbessern ist eine große Anzahl von Moden erforderlich.
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2 zeigt eine schaltbare Linse 201 in einem ersten Krümmungszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei handelt es sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel um eine Flüssiglinse. In dem ersten Krümmungszustand weist die Linse 201 eine erste Brennweite von zumindest zwei einstellbaren Brennweiten auf.
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Die Linse 201 weist eine optische Achse 202 auf. Die Linse 201 weist zwei einander gegenüberliegende Fenster 210, 211 auf, zwischen denen eine Schicht aus einer ersten Flüssigkeit 213, hier Wasser, und eine Schicht aus einer zweiten Flüssigkeit 214, hier Öl, benachbart zueinander angeordnet sind. Ein Grenzverlauf zwischen den Flüssigkeiten 213, 214 weist eine Krümmung auf. Der Krümmungszustand dieser Krümmung kann durch Anlegen einer von einem Steuergerät 215 bereitgestellten Steuerspannung an zwei Elektroden 216, 217 der Linse 201 eingestellt werden. Die Elektroden 216, 217 sind aus Metall und durch eine Isolierung 218 voneinander elektrisch isoliert. Durch die Steuerspannung wird im Bereich der Elektrode 217 ein elektrostatischer Druck 219 aufgebaut, durch den der Krümmungszustand beeinflusst werden kann. Eine Änderung des Krümmungszustands kann eine Änderung der Brennweite der Linse 201 bewirken.
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Über das Fenster 210 in die Linse 201 einfallendes Licht 103 wird an der Krümmung der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten 213, 214 gebrochen. In dem in 2 gezeigten Krümmungszustand ist die Grenzfläche in Richtung der zweiten Flüssigkeit 214 ausgewölbt. Dadurch wird der Lichtstrahl 103 in Richtung eines in Bezug auf den Strahlgang des Lichtstrahls 103 hinter der Linse 201 gelegenen Brennpunktes der Linse 201 fokussiert. Die Linse 201 wirkt somit als eine Sammellinse.
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3 zeigt die in 2 gezeigte Linse 201 in einem zweiten Krümmungszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem zweiten Krümmungszustand weist die Linse 201 eine zweite Brennweite von zumindest zwei einstellbaren Brennweiten auf.
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Der Grenzverlauf zwischen den Flüssigkeiten 213, 214 weist nun in Bezug auf den in 2 gezeigten Krümmungszustand eine entgegengesetzte Krümmung auf. Der Krümmungszustand dieser entgegengesetzten Krümmung kann durch Anlegen einer von einem Steuergerät 215 bereitgestellten weiteren Steuerspannung oder, gemäß diesem Ausführungsbeispiel, durch das Anlegen keiner Steuerspannung an die zwei Elektroden 216, 217 der Linse 201 eingestellt werden.
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Über das Fenster 210 in die Linse 201 einfallendes Licht 103 wird an der Krümmung der Grenzfläche zwischen den Fluiden 213, 214 gebrochen. In dem in 3 gezeigten Krümmungszustand ist die Grenzfläche in Richtung der ersten Flüssigkeit 213 ausgewölbt. Dadurch wird der Lichtstrahl 103 aufgeweitet. Die Linse 201 wirkt somit als eine Streulinse.
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Anhand der 2 und 3 wird die Funktionsweise einer einzelnen Flüssiglinse dargestellt. Durch Steuerung der an der Flüssiglinse anliegenden elektrischen Spannung kann die Krümmung der inneren Oberfläche angepasst und somit ihre optische Leistung modifiziert werden. Durch Ändern der Spannung der Flüssiglinse 201 ändert sich die Krümmung der inneren Oberfläche der Flüssiglinse 201. Dies führt zu einer Veränderung der optischen Leistung der Linse 201.
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Zwei der in den 2 und 3 gezeigten Linsen 201 können hintereinander angeordnet werden und synchronisiert zueinander in zueinander unterschiedlichen Krümmungszuständen betrieben werden. Dabei können die optischen Achsen der Linsen 201 einander entsprechen. Durch eine solche Linsenanordnung aus zumindest zwei Linsen 201 kann ein Flüssiglinsenteleskop geschaffen werden. Ein Verfahren zur Speckle-Reduktion für Laserprojektoren kann basierend auf einem solchen Flüssiglinsenteleskop durchgeführt werden.
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Eine entsprechende optische Anordnung zur Speckle-Reduktion ist aus zwei Flüssiglinsen aufgebaut, die in den Lichtpfad eines von dem Laser abgegebenen Strahl eingefügt werden können, wodurch der Speckle-Effekt erheblich reduziert wird. Die Speckle werden reduziert, ohne die Farbe oder die Schärfe des projizierten Bildes zu verändern. Im Falle eines Bildgebers, der unterschiedliche Laserstrahlen für Farbbilder verwendet, kann die optische Anordnung zur Speckle-Reduktion nach jedem Laserstrahl oder nach der optischen Komponente eingefügt werden, die teilweise oder global die abgegebenen Strahlen der unterschiedlichen Laserfarben summiert.
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Vorteilhafterweise kann zur Umsetzung eines solchen Ansatzes eine kompakte Optik, beispielsweise mit einem Durchmesser von ungefähr 3mm verwendet werden. Die Optik kann einfach an unterschiedlichen Positionen im Strahlpfad der optischen Anordnung integriert werden. Es kann ein eingestellter Ausgabestrahl realisiert werden, ohne eine störende Streuung von Licht. Es ist eine elektronisch variierbare Steuerung möglich ohne zusätzliche mechanische Bewegung. Dabei kann eine sehr hohe Speckle-Reduktion erreicht werden. Der Ansatz eignet sich als allgemeine Anwendung für optische Geräte, die auf einer Laserprojektion basieren.
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Das genannte Verfahren zur Speckle-Reduktion basiert gemäß einem Ausführungsbeispiel auf einem Paar von Flüssiglinsen, die in einer Galileo-Teleskop-artigen Anordnungen aufgebaut sind.
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4 zeigt eine Anordnung aus zwei in einem Strahlgang von Lichtstrahlen 103 angeordneten schaltbaren Linsen 201, 401 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei den Linsen 201, 401 kann es sich jeweils um eine Linse handeln, wie sie anhand der 2 und 3 beschrieben ist. In der in 4 gezeigten Darstellung erfolgt eine Ausbreitung von Lichtstrahlen 103 von links nach rechts, also zunächst durch die erste Linse 201 und anschließend durch die zweite Linse 401.
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Wenn sich die erste Linse 201 in dem in 2 gezeigten ersten Krümmungszustand befindet und die zweite Linse 401 in dem in 3 gezeigten zweiten Krümmungszustand befindet, wird ein Durchmesser der gebündelten einfallenden Lichtstrahlen 103 durch die Linsen 201, 401 reduziert, sodass ein die zweite Linse 401 verlassendes Bündel von Lichtstrahlen 403a einen geringeren Durchmesser als das Bündel von in die erste Linse 201 einfallenden Lichtstrahlen aufweist.
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Wenn sich die erste Linse 201 dagegen in dem in 3 gezeigten zweiten Krümmungszustand befindet und die zweite Linse 401 in dem in 2 gezeigten ersten Krümmungszustand befindet, die Krümmungszustände der Linsen 201, 401 also vertauscht sind, wird ein Durchmesser der gebündelten einfallenden Lichtstrahlen 103 durch die Linsen 201, 401 vergrößert, sodass ein die zweite Linse 401 verlassendes Bündel von Lichtstrahlen 403b einen größeren Durchmesser als das Bündel von in die erste Linse 201 einfallenden Lichtstrahlen aufweist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 4 ein Flüssiglinsenteleskop mit einem Satz von zwei Flüssiglinsen 201, 401. Eine simultane Steuerung der Spannung der Flüssiglinsen 201, 401 resultiert in den zwei maximalen Teleskopmodi, die in 4 gezeigt sind und zu den unterschiedlichen Lichtbündeln 403a, 403b führen. In den zwei maximalen Modi wird die erste Linse 201 von einer konvexen zu einer konkaven Linse eingestellt und umkehrt für die zweite Linse 401. Die Antwortzeit für den Übergang von dem ersten zu dem zweiten Modus für eine einzelne Linse 201, 401 und somit für das Teleskop beträgt ungefähr 15ms. Gezeigt ist eine optische Anordnung des Flüssiglinsen-Teleskops zum Despeckeln. In dieser Realisierung weisen die zwei Flüssiglinsen 201, 401 einen Abstand von 2mm auf. Die zwei maximalen Moden des Lichtfelds 403a, 403b, die durch die maximalen Teleskopkonfigurationen erreicht werden sind durch die Linien gezeigt.
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Die Steuerung der Linsenspannungen der Linsen 201, 401 wird so durchgeführt, dass der ausgehende Strahl 403a, 403b gesammelt bleibt. Zwischen den beiden Modi werden die Krümmungen der Linsen 201, 401 geändert, sodass der Strahl 403a, 403b, beispielsweise eines Lasers über die gesamte Zeit gebündelt bleibt. Die Veränderung des Teleskops resultiert in einer Veränderung der Länge des optischen Pfades des Laserstrahls 103 und somit in einer Veränderung in der Phase des Laserstrahls 103 über die Zeit. Nachdem diese Modulation in einer Zeit durchgeführt wird, die kleiner ist als die Mittlungszeit des menschlichen Auges von ungefähr 20ms, was zu einer großen Anzahl von Moden N führt, kann eine Reduzierung des Speckle-Kontrasts entsprechend zur genannten Formel (1) erreicht werden.
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Trotzdem führt die Modulation zu einer Modulation der gebündelten Strahltaille. Diese Veränderung begrenzt die Modulationstiefe der zwei Flüssiglinsen 201, 401. Dies wird so arrangiert, dass die Strahlgrößenveränderungen des Strahls 103 zu einer konstanten, nicht störenden durchschnittlichen Strahlgröße führen, die von dem menschlichen Auge beobachtet wird.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zweier schaltbarer Linsen 201, 401 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine entsprechende Anordnung ist in 4 gezeigt. Die erste Linse 201 befindet sich in einem Krümmungszustand, wie er beispielsweise anhand von 2 beschrieben ist. Die zweite Linse 401 befindet sich in einem Krümmungszustand, wie er beispielsweise anhand von 3 beschrieben ist. Die einzelnen Lichtstrahlen des auf die aus den zwei Linsen 201, 401 bestehenden Linsenanordnung einfallenden Lichtbündels 103 verlaufen parallel. Das Licht fällt dabei von links auf die erste Linse 201 ein und verlässt die zweite Linse 401 nach rechts. Ebenso verlaufen die von der Linsenanordnung abgegebenen Lichtstrahlen des Lichtbündels 403a parallel zueinander. Dabei weist das abgegebene Lichtbündel 403a einen geringeren Strahldurchmesser als das einfallende Lichtbündel 103 auf.
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6 zeigt eine schematische Darstellung der in 5 gezeigten Anordnung zweier schaltbarer Linsen 201, 401 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die erste Linse 201 befindet sich in einem Krümmungszustand, wie er beispielsweise anhand von 3 beschrieben ist. Die zweite Linse 401 befindet sich in einem Krümmungszustand, wie er beispielsweise anhand von 2 beschrieben ist. In Bezug zu dem in 5 gezeigten Zustand haben sich die Krümmungszustände der Linsen 201, 401 vertauscht. Die einzelnen Lichtstrahlen, des auf die aus den zwei Linsen 201, 401 bestehenden Linsenanordnung einfallenden Lichtbündels 103, verlaufen parallel. Ebenso verlaufen die von der Linsenanordnung abgegebenen Lichtstrahlen des Lichtbündels 403b parallel zueinander. Dabei weist das abgegebene Lichtbündel 403b einen größeren Strahldurchmesser als das einfallende Lichtbündel 103 auf.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigen die 5 und 6 die zwei maximalen Konfigurationen des in 4 gezeigten Teleskops. Das Teleskop wird von der in 5 gezeigten zu der in 6 gezeigten Konfiguration, und umgekehrt, mit einer Frequenz von ungefähr 67Hz gebracht, um die Mittlung der durch den Lichtstrahl 103 übertragenen Bilder für das menschliche Auge zu erreichen. Indem den Strahlen 103 von links nach rechts gefolgt wird, werden unterschiedliche räumliche Positionen auf einer der zweiten Linse 401 folgenden optischen Oberfläche, beispielsweise einer Projektionsoberfläche für den Fall eines HUD-Systems, für die in 5 und die in 6 gezeigte Teleskopkonfiguration erreicht. Letztendlich führt dieser Unterschied in der räumlichen Anordnung in einem Despeckle-Effekt. Der beschriebene Ansatz kann in Laserprojektoren-basierten Anwendungen zum Despecklen eingesetzt werden.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Verringern des Speckle-Effekts für einen auf eine Fläche treffenden Lichtstrahl gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um einen Lichtstrahl handeln, der nach Passieren von einer ersten und einer zweiten schaltbaren Linse, wie es beispielsweise anhand von 4 beschrieben ist, auf einer Projektionsoberfläche trifft, wie sei beispielsweise anhand von 1 gezeigt ist.
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Um den Speckle-Effekt zu reduzieren, wird in einem Schritt 701 die in dem Strahlgang des Lichtstrahls angeordnete schaltbare erste Linse zwischen einem ersten Krümmungszustand und einem zweiten Krümmungszustand umgeschaltet. Synchronisiert dazu wird in einem Schritt 703 die in dem Strahlgang des Lichtstrahls angeordnete schaltbare zweite Linse zwischen einem weiteren ersten Krümmungszustand und einem weiteren zweiten Krümmungszustand umgeschaltet.
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Beispielsweise können der erste Krümmungszustand der ersten Linse und der weitere zweite Krümmungszustand der zweiten Linse dem anhand von 2 gezeigten Zustand entsprechen. Entsprechend können der zweite Krümmungszustand der ersten Linse und der weitere erste Krümmungszustand der zweiten Linse dem anhand von 3 gezeigten Zustand entsprechen.
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Je nach Ausführungsform kann in den Schritten 701, 703 ein tatsächliches Umschalten der Linsen durchgeführt werden oder es können geeignete Steuersignale zum Umschalten der Linsen erzeugt und an geeigneten Schnittstellen zu den Linsen bereitgestellt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Schritte 701, 703 für ein Verfahren zum Projizieren eines Bildes in ein Blickfeld eines Betrachters verwendet werden. Dazu kann in einem Schritt 705 ein Lichtstrahl, der eine Bildinformation für einen Bildpunkt des Bildes aufweist, durch eine Anordnung aus den zwei schaltbaren Linsen auf eine sich in dem Blickfeld befindliche Projektionsfläche geleitet werden. Die Schritte 701, 703, 705 können dabei wiederholt werden, sodass der Lichtstrahl aufgrund der umgeschalteten Linsen beim Auftreffen auf die Projektionsfläche jeweils unterschiedliche Speckle-Muster aufweist, die zu einer Verringerung des von dem Betrachter wahrgenommenen Speckle-Effekts führen.
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8 zeigt ein Blockschaltbild einer Blickfeldanzeige. Gezeigt ist ein Aufbau einer Blickfeldanzeige in Form eines Laserprojektionssystems. Ein roter Laser 821, ein grüner Laser 822 und ein blauer Laser 823 erzeugen Lichtstrahlen, die über Umlenkspiegel 825 in einen Strahlgang eines Lichtstrahls 103 geleitet werden, der über einen beweglichen Ablenkspiegel 825 zeilenweise auf eine Projektionsfläche 101 gelenkt wird.
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Ein Videosignal wird über einen Videoeingang von einer Einrichtung 827 zur Video- und Signalverarbeitung empfangen. Die Einrichtung 827 steht im wechselseitigen Signalaustausch mit einer Einrichtung 829, die eine Signalgenerierung und einen Regelkreis realisiert, sowie mit einem Lasertreiber 831 zum Ansteuern der Laser 821, 822, 823. Die Einrichtung 829 ist ausgebildet, um ein Signal an einen Treiber 833 des Umlenkspiegels 825 auszugeben und ein Signal von einem Positionssensor 835 des Umlenkspiegels 825 zu empfangen.
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Ferner ist eine Energieversorgung 837 gezeigt. Die Blickfeldanzeige ist ausgebildet, um eine über den Videoeingang empfangene Bildinformation auf die Projektionsfläche 101 zu projizieren.
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In einem Laserprojektionssystem nach dem „Flying Spot"-Verfahren, wie es gemäß einem Ausführungsbeispiel in 8 gezeigt ist, wird das Licht einer roten Laserdiode 821, das Licht einer grünen Laserdiode 822 und das Licht einer blauen Laserdiode 823, wobei auch monochromatische Ausführungsformen möglich sind, durch ein Strahlvereinigungselement, z. B. einen dichroitischen Spiegel zusammengeführt. Dieser Strahl 103 trifft auf einen oder zwei mikromechanische Spiegel 825, die den Laserstrahl 103 in zwei Achsen auf eine Projektionsfläche 101 ablenken. Dabei wird das Bild zeilenweise, wie bei einer Elektronenstrahlröhre, geschrieben.
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Unter Verwendung von Flüssiglinsen, wie sie beispielsweise anhand der 2 bis 7 beschrieben sind, kann eine Despecklingmethode mit Flüssiglinsen für Laser-Projektoren nach dem Flying-Spot-Verfahren realisiert werden.
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9 zeigt ein Blockschaltbild einer Blickfeldanzeige gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um eine Blickfeldanzeige handeln, wie sie anhand von 8 beschrieben ist. Die Blickfeldanzeige weist eine Laserquelle 920 auf, die einen Lichtstrahl 103 aussendet, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel über eine Anordnung aus zwei Flüssiglinsen 201, 401 in Form eines Flüssiglinsenteleskops auf einen bewegbaren Umlenkspiegel 825 in Form eines Mikrospiegels auf eine Projektionsfläche 101 gelenkt wird. Eine Kontrolleinheit 930 ist ausgebildet, um sowohl die Laserquelle 920, als auch die Flüssiglinsen 201, 401, als auch den Umlenkspiegel 825 zu steuern. Insbesondere ist die Kontrolleinheit 930 ausgebildet, um die Flüssiglinsen 201, 401 gemeinsam zwischen jeweils mindestens zwei möglichen Krümmungszuständen umzuschalten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 9 eine schematische Darstellung einer Realisierung einer Flüssiglinsen-Teleskop-Despecklingmethode in einem Flying-Spot-Projektoraufbau. Der kollimierte Ausgangsstrahl 103 des Lasers 920 passiert das Flüssiglinsen-Paar 201, 401 und wird mittels Mikrospiegel 825 auf die Projektionsfläche 101 reflektiert, wo das gewünschte Bild aufgebaut wird.
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Eine Kontrolleinheit 930 steuert neben dem Laser 920 und dem Mikrospiegel 825 auch das Flüssiglinsen-Teleskop an.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das auf den Umlenkspiegel 825 treffende Licht kollimiert, ist also gebündelt. Dies wird durch ein Teleskop aus zwei Flüssiglinsen 201, 401 erreicht. Das Licht 103 bleibt nach Verlassen der Flüssiglinsen 201, 401 kollimiert und kann anschließend beispielsweise im Flying-Spot Verfahren mit dem Mikro-Spiegel 825 zur speckelreduzierten Bildgenerierung verwendet werden. Die Ansteuerung der beiden Flüssiglinsen 201, 401 wird synchronisiert durchgeführt, um die Eigenschaft des kollimierten Ausgangsstrahls beizubehalten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel trägt das Licht 103 sowie der Spiegel 825 die Information über das Bild und dient nicht zur Ausleuchtung. Eine Anwendung in einer Blickfeldanzeige in Form eines Head-up Displays ist daher einfach umzusetzen.
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Insbesondere in gewissen Temperaturgrenzen eignet sich der gezeigte Ansatz für eine Anwendung in Laser-Projektoren, beispielsweise auch für Flying-Spot-HUDs im Fahrzeugbereich.
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Die anhand der 2 bis 7 beschriebene Methode und Anordnung kann zur Speckle-Reduktion bei laserbasierten Projektoren eingesetzt werden. Hierzu werden mehrere Flüssiglinsen 201, 401 verwendet, die durch eine Änderung des optischen Weges zu unterschiedlichen Specklebildern führen, wie sie beispielhaft in den 10 bis 12 gezeigt sind. Der genannte Ansatz kann auf laserbasierte Projektoren, die nach dem Flying-Spot-Verfahren arbeiten, übertragen werden.
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Flying Spot Projektoren haben, im Gegensatz zu abbildenden Projektoren ein zeitliches Regime, welches bei der vorgeschlagenen Lösung zur Speckle-Reduktion berücksichtigt werden muss. Des Weiteren haben solche Projektoren gewisse Anforderungen an die Strahlgröße in verschiedenen Abständen, welche bei Verwendung zusätzlicher Flüssiglinsens nicht beeinträchtigt werden darf.
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Vorteilhafterweise kann die beschriebene Methode somit zur Speckle-Reduktion auch für Projektoren nach dem Flying Spot Verfahren angewendet werden. Da die Flying Spot Projektoren prinzipbedingt eine spatial kohärente Lichtquelle 920 benötigen, werden hierzu Laser verwendet. Diese wiederum zeigen deutliche Speckle, welche mit dem beschrieben Ansatz verringert werden können.
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Aus der Formel für die Berechnung des Specklekontrasts (C = Specklekontrast, 〈I〉 = Mittelwert der Intensität, σ
I = Standardabweichung der Intensität, N = Anzahl der statistisch unabhängigen Specklebilder)
ist ersichtlich, dass der Specklekontrast von der Anzahl N unabhängiger Specklebilder abhängt. Um an einem bestimmten Ort innerhalb des Bildes auf der Projektionsfläche
101 eine Speckle-Reduktion zu erreichen, müssen an diesem Ort, meist Bildpunkt oder Pixel genannt, unterschiedliche am besten unabhängige Specklemuster erzeugt werden. Aufgrund des scannenden Bildaufbaus wird ein Pixel innerhalb der Bildwiederholrate, die meist ca. 60 Hz ist, was ca. 16 ms pro Bild entspricht, nur einmal für ca. 40–50 ns beleuchtet. Da es nicht möglich ist, die Flüssiglinsen
201,
401 innerhalb dieser kurzen Zeit zu verändern, da hierfür Frequenzen größer 20 MHz nötig wären, wird eine Änderung der Flüssiglinsen
201,
401 beim gleichen Pixel im darauffolgenden Bild erreicht. Ausgehend von einer Integrationszeit des Auges von ca. 67 ms kann bei einer Bildwiederholrate von 60 Hz maximal über vier Bilder integriert werden. Dabei ist maximal eine Speckle-Reduktion um den Faktor zwei möglich (siehe Gl. 1). Hierfür erzeugen die Flüssiglinsen
201,
401 vier unabhängige Specklebilder zu den vier Zeitpunkten innerhalb der 67 ms, zu denen das gleiche Pixel projiziert wird. Diese Bedingung wird für alle Pixel erfüllt.
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Zur Überprüfung dieser Möglichkeit können Simulationen für Flying-Spot-Systeme durchgeführt werden. Dabei wird das Specklemuster eines Pixels berechnet, welches von einem Detektor, z. B einer Kamera oder einem Auge gesehen wird.
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Die 10 bis 12 zeigen beispielhafte Speckle-Effekte, die sich als unterschiedliche Specklemuster 1030, 1031, 1032 in einem Bildpunkt bemerkbar machen. Bei dem Bildpunkt kann es sich beispielsweise um einen auf der in 9 gezeigten Projektionsfläche dargestellten Bildpunkt handeln. Die unterschiedlichen Specklemuster 1030, 1031, 1032 können durch unterschiedliche Einstellungen der Krümmungszustände der schaltbaren Linsen erreicht werden, durch die der den Bildpunkt darstellenden Lichtstrahl geführt wird. Für das Specklemuster 1030 können sich die Linsen beispielsweise in einem ersten Zustand, für das Specklemuster 1031 in einem zweiten Zustand und für das Specklemuster 1032 in einem dritten Zustand befinden. Beispielsweise kann sich in dem in 10 gezeigten ersten Zustand eine erste Linse in einem ersten Krümmungszustand und eine zweite Linse in einem weiteren ersten Krümmungszustand befinden, wobei die erste Linse im ersten Krümmungszustand beispielsweise als eine Zerstreuungslinse und die zweite Linse im weiteren ersten Krümmungszustand beispielsweise als eine Sammellinse fungieren kann.
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Die in den 10 bis 12 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, mit einem solchen System mit unterschiedlichen Zuständen der Flüssiglinsen auch unterschiedliche Specklebilder 1030, 1031, 1032 zu erzeugen.
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Gezeigt ist jeweils ein Specklemuster 1030, 1031, 1032 eines Pixels bei unterschiedlichen Zuständen der zwei verwendeten Flüssiglinsen.
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Zur Erzeugung des in 10 gezeigten Specklemusters 1030 werden die verwendeten Linsen auf die Parameter R1 = –7,45 mm, R2 = 9,03 mm, d1 = 400 µm, d2 = 240 µm, n1 = 1,33 und n2 = 2,2 eingestellt.
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Zur Erzeugung des in 11 gezeigten Specklemusters 1031 werden die Parameter R1 = –11,27 mm, R2 = 27,81 mm, d1 = 350 µm, d2 = 290 µm, n1 = 1,33 und n2 = 2,2 verwendet.
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Zur Erzeugung des in 12 gezeigten Specklemusters 1032 werden die Parameter R1 = –4,72 mm, R2 = 7,72 mm, d1 = 410 µm, d2 = 230 µm, n1 = 1,33 und n2 = 2,2 verwendet.
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Die jeweiligen Parameter in den Darstellungen der 13 und 14 eingezeichnet.
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13 zeigt eine Darstellung der Krümmung einer ersten schaltbaren Linse 201 einer Anordnung aus zwei schaltbaren Linsen, durch die beispielsweise der zur Erzeugung der in den 10 bis 12 gezeigten Lichtpunkte verwendete Lichtstrahl geführt wird. Gezeigt sind dabei die im Zusammenhang mit den 10 bis 12 genannten Parameter.
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14 zeigt eine Darstellung der Krümmung einer zweiten schaltbaren Linse 401 einer Anordnung aus zwei schaltbaren Linsen, durch die beispielsweise der zur Erzeugung der in den 10 bis 12 gezeigten Lichtpunkte verwendete Lichtstrahl geführt wird. Gezeigt sind dabei die im Zusammenhang mit den 10 bis 12 genannten Parameter.
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Für eine Speckle-Reduktion in der Projektoranwendung, wie sie beispielsweise in 9 gezeigt ist, wird die Frequenz der Flüssiglinsen sinnvoll in Abhängigkeit von der Bildwiederholrate des Projektors gewählt. Die Zeit zwischen den beiden Extrempositionen der Flüssiglinsen 201, 401 beträgt laut Herstellerangabe z. B. 15 ms (~67 Hz). Dieser Wert kann genau wie die maximale Differenz der optischen Kraft in den Extrempositionen angepasst werden, unter anderem durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien der Flüssiglinsen.
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15 zeigt eine Darstellung eines Steuersignals 1540 zum Ansteuern einer Linse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich beispielsweise um die in 13 gezeigte Linse handeln. Auf der Ordinate ist die Zeit in Millisekunden und auf der Abszisse Werte des Steuersignals, hier eine an einer Flüssiglinse anliegende Spannung in Volt aufgetragen.
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Dargestellt ist ein zeitlicher Ablauf der Bildprojektion in Laserprojektoren unter Verwendung eines Flüssiglinsen-Teleskops. Es ist exemplarisch ein Steuersignal 940 in Form einer Dreiecksspannung zur Ansteuerung einer der Flüssiglinsen als Funktion der Zeit dargestellt. Das Bild des Projektors, wie er beispielsweise in 9 gezeigt ist, wird hier mit einer Frequenz von 60Hz aufgebaut, was jeweils einen Bereich 1541, 1542 repräsentiert. Als Punkte 1545 dargestellt sind die Einstellungen der Flüssiglinse bei einem stets gleichen Pixel. Diese Einstellungen sind in einem Zeitraum von 67ms, was der Mittelungszeit des Auges entspricht, jeweils unterschiedlich, was zu unterschiedlichen Specklebildern führt, wie sie beispielsweise in den 10 bis 12 gezeigt sind.
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In 15 wird somit der zeitliche Ablauf einer Flüssiglinse im Teleskop in einem Projektor veranschaulicht. Hierbei wird eine lineare Spannungsänderung der Flüssiglinse appliziert. Die optische Kraft ändert sich dabei nach Herstellerangabe für jede Linse ebenfalls linear. Es ist dargestellt, dass in einem Zeitraum von 67ms, der Mittelungszeit des Auges, vier unterschiedliche Spannungen vorhanden sind, die durch die Punkte 1545 dargestellt sind, was zu einer Generierung von vier Specklebildern führt. Dies bedeutet, wie oben beschrieben, eine Reduktion des Specklekontrastes um einen Faktor 2.
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Um eine Speckle-Reduktion um einen Faktor 2, also 4 unabhängige Specklebilder, zu erreichen, wird bei der Wahl der Flüssiglinse darauf geachtet, dass die oben erwähnte maximale Differenz der optischen Kraft ausreichend groß ist. Weiterhin ist bei der Wahl der Frequenz zur Ansteuerung der Flüssiglinse darauf zu achten, dass der in 15 dargestellte Sachverhalt für alle Pixel realisiert wird. Eine kleinere Ansteuerungsfrequenz ist also ebenfalls möglich, was aus 15 gefolgert werden kann. Daher sind Flüssiglinsen für einen solchen Einsatz prädestiniert.
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Bei höheren Bildwiederholraten über 60 Hz kann eine Speckle-Reduktion mit einem Faktor größer als 2 erreicht werden. Werden hingegen die beiden Flüssiglinsen zwischen ihren beiden Extrempositionen mit einer Frequenz von 60 Hz variiert, so ergibt sich keinerlei Speckle-Reduktion.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Flüssiglinsen-Ansteuerungsspannung modifiziert werden. Zum Beispiel durch eine Modulation der Frequenz oder Phasensprünge um möglichst viele Specklebilder für alle Pixel zu generieren.
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16 zeigt eine Darstellung von Bildpunktdurchmessern 1651, 1652, 1653, 1654 eines Lichtstrahls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist ein Abstand in Millimetern und auf der Ordinate der Pixeldurchmesser in Millimetern angezeigt. Die Pixeldurchmesser sind für verschiedene Auflösungen, bei einem horizontalen optischen Vollwinkel von 48° gezeigt, von dem 40,1° genutzt werden.
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Dem Verlauf des Bildpunktdurchmessers 1651 ist eine HD1080-Auflösung (1920 × 1080) zugeordnet. Dem Verlauf des Bildpunktdurchmessers 1652 ist eine HD720-Auflösung (1280 × 720) zugeordnet. Dem Verlauf des Bildpunktdurchmessers 1653 ist eine PAL-Auflösung (1024 × 576) zugeordnet. Dem Verlauf des Bildpunktdurchmessers 1654 ist eine WVGA-Auflösung (854 × 480) zugeordnet.
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17 zeigt eine Gegenüberstellung von Bildpunktdurchmesser 1761 und Strahldurchmesser 1763 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist ein Abstand in Millimetern und auf der Ordinate der Pixeldurchmesser oder der Strahldurchmesser in Millimetern angezeigt.
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Bei scannenden Laserprojektionssystemen kommt als weitere Schwierigkeit hinzu, dass der Strahldurchmesser dem Pixeldurchmesser angepasst sein muss. Dies muss für alle Entfernungen, in denen Bilder mit akzeptabler Bildqualität projiziert werden sollen, gelten. Abhängig von der Auflösung des Projektors und der Projektionsentfernung ergibt sich der Pixeldurchmesser, wie es in 16 gezeigt ist. Da der Strahldurchmesser durch das Profil des Laserstrahls (Gaußstrahl) geprägt ist, kann eine optimale Anpassung nur in einem begrenzten Abstandsbereich erreicht werden, wie es in 17 gezeigt ist, in der es der Bereich zwischen 500mm und 1500mm wäre.
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Durch die Flüssiglinsen wird der Gaußstrahl in seinem Durchmesser verändert, wie es auch durch die unterschiedliche Größe des Spots in den 10 bis 12 gezeigt ist. Für eine gute Bildqualität wird sichergestellt, dass sich diese Größenänderung innerhalb gewisser Toleranzen hält. Dies kann einerseits durch geeignete Zustände der Flüssiglinsen erreicht werden, eventuell auch unter Nutzung von mehr als zwei Flüssiglinsen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit eine oder mehrere translatorische, also in Richtung der optischen Achse, Verschiebemöglichkeiten der Linsen vorzusehen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
