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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Projektion eines Videobildes,
in einem Flachbildschirm oder Projektor.
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Die
zur Zeit vorhandenen Möglichkeiten
den Ablenkwinkel zur Projektion eines Videobildes mit Laser, die
durch Polygonspiegel oder mit Akusto-Optische-Modulatoren/Deflektoren (AOM's) abgelenkt werden,
zu vergrößern und
scharf auf eine Projektionsfläche
abzubilden, bestehen in der Verwendung von aufwendigen linsenoptischen
Systemen (sogenannte Transformationsoptiken), mit in der Praxis
hohen Anzahl von mehr als 20 Linsenflächen. Dieses ist sehr aufwendig
und kostenintensiv.
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Aus
der Druckschrift
DE
68919055 T2 ist eine Vorrichtung zur Projektion eines Videobildes
bekannt (vergl. insbesondere Seiten 1 und 2) dabei ist die Lichtquelle
ein Laser (vergl. insbesondere Seite 8 unten) und nach der Ablenkung
des Laserstrahls durch ein Ablenkelement (vergl. insbesondere
2, Bezugsziffer 23) erfolgt
eine Vergrößerung des
Ablenkwinkels durch einen Konkav gekrümmten Spiegel (vergl. insbesondere
2, Bezugsziffer 24 und zugehörige Beschreibungsteile).
Ferner ist ein Brennpunkt des Laserstrahls zwischen dem Ablenkelement
und dem konkav gekrümmten
Spiegel vorhanden.
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Aus
der Druckschrift CA 1205791 A1 ist eine Vorrichtung zur Projektion
eines Videobildes in einem Flachbildschirm bekannt. Dabei erfolgt
eine Vergrößerung des
Ablenkwinkels mittels Spiegeln.
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Weitere
Vorrichtungen zur Projektion von Videobildern unter Vergrößerung des
Strahlablenkwinkels mittels Spiegeln und Optiken sind aus den Druckschriften
US 5835252 A ,
JP 61090122 A (abstract)
und
US 5694180 A bekannt.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Problem ist eine Vereinfachung der
bekannten linsenoptischen Systeme unter Verwendung eines konkaven Spiegels
in Kombination mit einer Strahlschwenkvorrichtung.
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Dieses
Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Der
verwendete gekrümmte
Spiegel fokussiert die abgelenkten Laserstrahlen und vergrößert den
Ablenkwinkel auf 90°,
120° oder
bei Rundum-Projektion auf nahezu 180°.
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Die
Unabhängigkeit
der Reflexion von der Wellenlänge
des Lichtes bei Spiegeln begünstigt
die Konstruktion der Projektionsvorrichtung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
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Bringt
man einen parallel verlaufenden Laserstrahl auf eine zylindrische
(kreisförmige)
konvex gekrümmte
Fläche
wie in 1.1.1 so defokussiert der
reflektierte Strahl mit:
Θges = Θ1 + Θ2 = 2·(α2 – α1).
Hierbei ist die Krümmung des
Spiegels konstant und Δα = αn – α(n – 1) =
const.
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Kehrt
man das Prinzip um und fokussiert den Strahl so, dass Θges = Θ1 + Θ2 = 2·(α2 – α1)
erhält
man einen parallel austretenden reflektierten Strahl nach 1.1.2.
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In 1.2.1. und 1.2.2 erfolgt die Darstellung anhand einer
konkav gekrümmtem
Zylinderfläche
wobei gilt Δα = α(n – 1) – αn =
const.
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Koppelt
man einen parallelen Strahl nach 1.2.1 ein,
so erhält
man einen fokussierten Strahl hinter dem Spiegel mit: Θges = Θ1
+ Θ2 der
hinter dem Brennpunkt wieder divergiert.
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Dieses
Prinzip lässt
sich nach 1.2.2 umkehren
und man erhält
ausgehend von der konkaven Fläche
einen parallel verlaufenden Ausgangsstrahl.
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Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass der eingekoppelte Laserstrahl vor dem Spiegel
einen Brennpunkt aufweist und der Strahl so fokussiert wird, dass
der Öffnungswinkel
gleich ist mit der zweifachen – wie
vorstehend beschrieben bestehenden – Winkeldifferenz im vom Strahl
erfassten Bereich des Spiegels.
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Dieses
Prinzip wird im weiteren auch im Zusammenhang mit einer vorher stattfindenden
zeitlichen Ablenkunkung φ(t) beibehalten, wie in 2.1. dargestellt. Hierbei wird der Strahl
mit φ(t) durch einen Polygonspiegel oder einen
AOM zeitlich abgelenkt und auf einen konkaven Spiegel eingekoppelt.
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Die
optimale Krümmung
ist hierbei computergestützt
numerisch ermittelt worden. Damit der Rechenalgorithmus nachvollziehbar
ist, werden folgende Kriterien aufgeführt.
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Der
in der 1.2.2 dargestellte
vom Strahl erfasste Winkelbereich ändert sich bei Strahlschwenkung,
also zeitlicher Ablenkung wie in 2.1 gezeigt,
so dass die Krümmung
sich mit K~Δα(n)/ΔX(n) ändern
muss. Die 2.1. lässt erkennen
wie sich der durch den Strahl erfasste Spiegelbereich ΔX(n) mit der Ablenkung verändert. Hierbei ist ΔX2 < ΔX1. Jedoch muss, um einen parallelen Ausgangsstrahl zu
erhalten Δα1 = Δα2 sein.
Das bedeutet, dass sich die Krümmung
K~Δα(n)/ΔX(n) zur sich verändernden Strahlbreite ΔX(n) reziprok verhält und es sich schon nicht
mehr um eine rein zylindrische sondern um eine Fläche höherer Ordnung
handelt deren Verlauf teilweise abflacht.
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In
dem Rechenalgorithmus muss also berücksichtigt werden, dass sich
bei der Ablenkung die Krümmung
K in Abhängigkeit
zur Strahlbreite ΔX(n) ändert
und jeder Stützpunkt
mit seiner Tangentensteigung danach berechnet wird.
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3.1.1 zeigt den Strahlenverlauf,
wie er sich bei der herkömmlichen
Projektion verhält
(ohne entsprechende Fokussierung mit Brennpunkt). Die Bildpunkte
PB1 und PB2 defokussieren
stark, überlappen
sich und führen
zu einem unscharfen Bild. In 3.1.2. ist
hingegen die Projektion mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, so
dass, wenn nur der Laserstrahl im einzelnen betrachtet wird, dieser
in geeigneter Weise so fokussiert wird, dass er einen Brennpunkt
zwischen erster Ablenkung φ(t) und dem Ablenkspiegel aufweist. PB1 und PB2 werden hierbei
scharf abgebildet.
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Dieses
setzt auch voraus, dass zunächst
die Krümmung über den
ganzen Spiegel leicht erhöht wird,
damit aus dem parallelen Strahlenverlauf hinter dem Spiegel ein
fokussierender Verlauf wird. Dies ist in 3.2.1 dargestellt mit 2·Δα = Θges + γ0, wobei γ der
Konvergenzwinkel oder Aperturwinkel des Laserstrahls auf der Projektionsfläche ist.
Hierbei Ist P0 der Brennpunkt in der Mitte
der Projektionslinie einer Zeile.
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Durch
den längeren
Abstand zu der Zeile außen
rechts und links, liegen die Brennpunkte P1 und P2 vor der Projektionslinie.
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Es
ergibt sich eine Brennpunktfläche 7),
auf der die Brennpunkte bei der Projektion liegen. Hierbei sind
zunächst
die Aperturwinkel der reflektierten Strahlen γ0 = γ1 = γ2 Um
jedoch auch in den Ecken das Bild scharf abzubilden und die Bildpunkte
möglichst
klein zu halten, müssen γ1 und γ2 verringert werden.
Was bedeutet, dass die Krümmung
am Beginn und am Ende des Spiegels zusätzlich verringert werden muss.
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Dazu
wird ein quadratischer Korrekturwert, der empirisch ermittelt wurde,
in den Algorithmus mit eingebracht. Insgesamt hat sich aus den ermittelten Stützpunkten
ergeben, dass eine Parabel bzw. ein Polynom niedrigen Grades als
analytische Funktion die geforderten Bedingungen ausreichend gut
verwirklicht. In 3.2.2 sind
die dementsprechenden Verhältnisse
dargestellt.
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In 4 wird gezeigt, wie zusätzlich zur
Zeilenablenkung H(t) eine Vertikalablenkung
V(t) mit einem Galvanometerspiegel erreicht
wird.
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Dieser
wird im Kreuzungspunkt der vom Spiegel austretenden Strahlen angebracht.
Die Bezugsziffer 8 markiert hierbei das projizierte Bild.
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Es
sei noch erwähnt,
dass sich durch den längeren
Strahlenweg im Zuge der Vertikalablenkung eine Defokussierung innerhalb
von ΔT ergibt,
welche die Bildpunkte im unteren Bildbereich vergrößert.
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Eine
Computersimulation ergab jedoch, dass die Bildpunkte immer noch
ausreichend klein sind, um in der untersten Zeile 1000 Bildpunkte
scharf abzubilden.
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Die
in den Zeichnungen verwendeten Nummerierungen bedeuten dabei folgendes,
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- 1
- Laserstrahl
- 2
- konvexer
Spiegel
- 3
- konkaver
Spiegel
- 4
- fokussierter
abgelenkter Laserstrahl
- 5
- nicht
fokussierter Laserstrahl
- 6
- Projektionslinie
einer Zeile
- 7
- Brennpunktfläche
- 8
- Projektionsfläche mit
horizontalem und vertikalem Bildaufbau
- 9
- Galvanometerspiegel.