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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Fokussieren und Ausrichten
eines oder mehrerer Laserstrahlen, insbesondere zur Verwendung in
einem Farbbildprojektionssystem, in welchem Laserstrahlen unterschiedlicher
Wellenlängen
zum Projizieren eines zweidimensionalen Bilds in Farbe auf einer
vom System entfernten Ansichtsoberfläche verwendet werden.
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Es
ist allgemein bekannt, ein zweidimensionales Bild auf einen Bildschirm
zu projizieren, und zwar auf der Grundlage eines Paars von Scanspiegeln,
welche in zueinander orthogonalen Richtungen oszillieren, um einen
Laserstrahl über
ein Raster zu scannen. Jedoch projizieren die bekannten Bildprojektionssysteme
das Bild mit begrenzter Auflösung, typischerweise
weniger als einem Viertel einer VGA ("video-graphics-array")-Qualität von 640×480 Pixel und nicht in Echtfarbe.
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Um
ein Echtfarbenbild zu erhalten, werden rote, blaue und grüne Laserstrahlen,
die mittels Lasern emittiert werden, benötigt. Die Wellenlängen solcher
Strahlen sind extrem klein. Ein roter Laserstrahl weist beispielsweise
eine Wellenlänge
in der Größenordnung
von 635–655
Nanometern auf, und ein blauer Laserstrahl weist eine Wellenlänge in der Größenordnung
von 430–505
Nanometern auf. Diese Strahlen sehr kurzer Wellenlänge müssen mittels Fokussierlinsen
mit einem sehr hohen Präzisionsgrad
fokussiert werden, um praktisch alle Energie, die mittels der Laser
emittiert wird, zu sammeln und ein Schmieren und Abbildungsfehler
im projizierten Bild zu vermeiden. Jede Fokussierlinse weist eine mechanische
oder Zentrierungsachse auf, welche präzise ausgerichtet sein muss,
um mit der optischen Achse, entlang welcher der jeweilige Laserstrahl
gerichtet wird, zusammenzufallen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass
die notwendige Zentrierungspräzision zu
schwierig und zu teuer ist, um mittels aktueller Präzisionsherstellungs-
und Montagemethoden erreicht zu werden, sodass inakzeptable Richtfehler zwischen
der Zentrierungsachse und der optischen Achse für jeden Strahl unweigerlich
auftreten, wodurch das Projektionsabbild verschlechtert wird.
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Dementsprechend
ist es eine allgemeine Aufgabe dieser Erfindung, ein Bildprojektionssystem bereitzustellen,
das ein scharfes und klares zweidimensionales Farbbild über einen
erweiterten Entfernungsbereich vom System entfernt projiziert.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Laserstrahl entlang
einer optischen Achse zu fokussieren und eine Zentrierungsachse
einer Fokussierlinse präzise
so auszurichten, dass sie mit der optischen Achse zusammenfällt.
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Noch
eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Auflösung des
mittels solcher Systeme projizierten Farbbilds zu erhöhen.
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Noch
eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, die durch Schmieren,
Abbildungsfehler und Richtfehler verursachte Bildverschlechterung
zu verringern, wenn nicht gar zu beseitigen, während trotzdem praktisch alle
Energie gesammelt wird, die von einem Laser emittiert wird, der
den Laserstrahl emittiert.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe ist es, eine kleine, kompakte, leichte und tragbare Farbbildprojektionsanordnung
bereitzustellen, die in vielen Instrumenten unterschiedlicher Formfaktoren
nützlich
ist.
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Beim
Erfüllen
dieser Aufgaben und anderer, die nachstehend ersichtlich werden,
besteht eine Eigenschaft dieser Erfindung kurz gesagt in einer/einem
Laserstrahlfokussierungsanordnung und -verfahren, welche/s einen
Laser zum Emittieren eines Laserstrahl entlang einer optischen Achse
aufweist, ein Fokussierungselement mit einer mechanischen oder Zentrierungsachse,
die dazu betreibbar ist, den Laserstrahl zu fokussieren, und ein
Mittel zum Ausrichten der mechanischen Achse derart, dass sie mit der
optischen Achse zusammenfällt,
und zwar mittels einstellbaren Anbringens des Fokussierungselements
relativ zum Laser mit Bewegungsfreiheit in einer zur optischen Achse
senkrechten Ebene. Genau diese Bewegungsfreiheit verringert, wenn
nicht beseitigt, einen Strahlrichtfehler, der durch eine Fehlausrichtung
zwischen der mechanischen und der optischen Achse verursacht wird,
ohne dass Hochpräzisionsherstellungs-
und Montagemethoden benötigt
werden.
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Die
erfindungsgemäße Laserstrahlfokussierungsanordnung
ist besonders in einem Bildprojektionssystem zum Projizieren eines
zweidimensionalen Farbbilds vorteilhaft. Das System umfasst einen
Träger;
eine Vielzahl von roten, blauen und grünen Lasern zum entsprechenden
Emittieren roter, blauer und grüner
Laserstrahlen; eine optische Anordnung zum kollinearen Anordnen
der Laserstrahlen, um einen zusammengesetzten Strahl zu bilden;
eine Scaneinheit zum Schwenken des zusammengesetzten Strahls als
ein Muster von Scanlinien im Raum bei einem Arbeitsabstand vom Träger, wobei
jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln aufweist; und einen Controller,
der dafür
sorgt, dass ausgewählte
Pixel beleuchtet und sichtbar gemacht werden, und zwar mittels der
das Farbbild zu erzeugenden Laserstrahlen. Die sehr kurzen Wellenlängen dieser
Laserstrahlen erfordern eine präzise
Ausrichtung zwischen der mechanischen und der optischen Achse des
Strahls, sodass das sich daraus ergebende Bild frei von Schmieren,
Abbildungsfehlern und schlechter Auflösung ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Scaneinheit ein Paar oszillierbarer Scanspiegel zum
Schwenken des zusammengesetzten Strahls entlang zueinander orthogonaler
Richtungen bei unterschiedlichen Scanraten und unter unterschiedlichen
Scanwinkeln. Zumindest eine der Scanraten überschreitet hörbare Frequenzen,
beispielsweise über
18 kHz, um ein Rauschen zu verringern. Zumindest einer der Scanspiegel
wird mittels eines Trägheitsantriebs
angetrieben, um den Leistungsverbrauch zu minimieren. Die Bildauflösung überschreitet
vorzugsweise ein Viertel einer VGA-Qualität, entspricht oder überschreitet
aber typischerweise eine/r VGA-Qualität. Der Träger, die Laser, die Scaneinheit, der
Controller und die optische Anordnung beanspruchen vorzugsweise
ein Volumen von weniger als dreißig Kubikzentimetern.
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Die
Anordnung ist austauschbar in Gehäusen unterschiedlicher Formfaktoren
anbringbar, einschließend,
aber nicht beschränkt
auf ein stiftförmiges,
pistolenförmiges
oder taschenlampenförmiges Instrument,
einen persönlichen
digitalen Assistenten (PDA), einen Anhänger, eine Uhr, einen Computer und
kurz gesagt jegliche Form aufgrund ihrer kompakten und kleinen Größe. Das
projizierte Bild kann für
Werbe- oder Beschilderungszwecke verwendet werden, oder für einen
Fernseh- oder Computermonitorbildschirm und, kurz gesagt, für jeglichen
anderen Zweck, bei dem es erforderlich ist, dass etwas angezeigt
wird.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt dieser Erfindung ist zumindest einer der Laser, z.
B. der rote und/oder der blaue Laser, stationär auf dem Träger angebracht,
und ein Halter zum Halten des Fokussierungselements ist auf dem
Träger
zur Bewegung zwischen Einstellpositionen, in welchen das Fokussierungselement
relativ zum Laser bewegt wird, und einer festen Position angebracht,
in welcher das Fokussierungselement relativ zum Laser befestigt
ist. Der Halter ist in einem internen Fach des Trägers aufgenommen
und grenzt an eine Lücke
mit zwei Paaren gegenüberliegender
Trägerelemente.
Ein Vorsprung, und vorzugsweise eine Vielzahl von Vorsprüngen, erstreckt
sich vom Halter über
die Lücke, um
die Trägerelemente
zu kontaktieren. Diese Vorsprünge
stellen die einzige Eingriffsquelle zwischen dem Halter und dem
Träger
in jeglicher der Einstellpositionen dar.
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Der
Träger
weist zumindest einen Werkzeugzugangsdurchlass, und vorzugsweise
eine Vielzahl von Werkzeugzugangsdurchlässen, auf, die sich durch zumindest
eines der Trägerelemente
erstrecken. Ein Werkzeug wird durch den entsprechenden Werkzeugdurchlass
eingeführt,
um den Halter zu kontaktieren und ihn in eine gewünschte der
Einstellpositionen zu schieben. Der Halter dreht sich um die Vorsprünge. Der
Träger
weist auch zumindest einen Haftmitteleinlassdurchlass, und vorzugsweise
ein Vielzahl von Haftmitteleinlassdurchlässen, auf, die sich durch zumindest
eines der Trägerelemente
erstrecken, um es einem aushärtbaren
Haftmittel zu ermöglichen,
durch den entsprechenden Einlassdurchlass in die Lücke, die
den Halter umgibt, eingeleitet zu werden. Sobald das Haftmittel
um den Halter herum ausgehärtet
ist, ist der Halter in der festen Position fixiert, in welcher die
mechanische Achse so ausgerichtet ist, dass sie mit der optischen
Achse zusammenfällt.
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Vorzugsweise
ist das Haftmittel mittels UV- (ultraviolettem) Licht aushärtbar. Der
Halter besteht vorzugsweise aus einem UV-lichtdurchlässigen Material,
um ein solches Aushärten
zu erleichtern. Der Halter besteht auch vorzugsweise aus Glasfasern, die
in einem synthetischen Kunststoffmaterial eingebettet sind. Vorzugsweise
sind die Glasfasern so ausgerichtet, dass sie im Wesentlichen parallel
zu der mechanischen Achse verlaufen. Die Menge an Glasfasern wird
gesteuert, um dem Halter so einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu verleihen, welcher mit dem des Laser übereinstimmt, sodass eine relative
lineare Bewegung zwischen dem Laser und dem Halter während einer
Temperaturveränderung
minimiert wird.
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Wie
beschrieben, kann sich der Halter entlang zumindest zwei zueinander
orthogonaler Richtungen in der Ebene frei bewegen, und kann sich
zusätzlich
entlang der optischen Achse frei axial bewegen. Diese mehrfachen
Bewegungsfreiheitsgrade ermöglichen
eine sehr präzise
Ausrichtung zwischen der mechanischen und der optischen Achse eines entsprechenden
Lasers, um ein optimales Bild zu gewährleisten.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines handhaltbaren Instruments, das
ein Bild bei einem Arbeitsabstand davon projiziert;
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2 ist
eine vergrößerte perspektivische Überkopf-Ansicht
einer erfindungsgemäßen Bildprojektionsanordnung
zum Einbau in das Instrument aus 1;
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3 ist
eine Draufsicht auf die Anordnung aus 2;
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4 ist
eine perspektivische Vorderansicht eines Trägheitsantriebs zur Verwendung
in der Anordnung aus 2;
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5 ist
eine entsprechende Rückansicht des
Trägheitsantriebs
aus 4;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer praktischen Ausgestaltung der
Anordnung aus 2;
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7 ist
ein schematisches elektrisches Blockdiagramm, das einen Betrieb
der Anordnung aus 2 zeigt; und
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8 ist
eine Schnittansicht entlang einer Linie 8-8 aus 6.
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Bezugsziffer 10 in 1 identifiziert
allgemein ein handhaltbares Instrument, beispielsweise einen PDA
("personal digital
assistant"; persönlicher digitaler
Assistent), in welchem eine leichte, kompakte Bildprojektionsanordnung 20,
wie in 2 gezeigt, angebracht ist und dazu betreibbar
ist, ein zweidimensionales Farbbild unter einem veränderbaren Abstand
vom Instrument zu projizieren. Als ein Beispiel befindet sich ein
Bild 18 in einem Arbeitsentfernungsbereich relativ zum
Instrument 10.
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Wie
in 1 gezeigt, erstreckt sich das Bild 18 über einen
horizontalen optischen Scanwinkel A, der sich entlang der horizontalen
Richtung erstreckt, und über
einen vertikalen optischen Scanwinkel B, der sich entlang der vertikalen
Richtung des Bilds erstreckt. Wie nachstehend beschrieben, besteht
das Bild aus beleuchteten und nichtbeleuchteten Pixeln auf einem
Raster von Scanlinien, das mittels einer Scaneinheit in der Anordnung 20 durchfahren
wird.
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Die
Parallelepipedform des Instruments
10 stellt nur einen
Formfaktor eines Gehäuses
dar, in welchem die Anordnung
20 implementiert sein kann. Das
Instrument kann als ein Stift, ein Mobiltelefon, eine Klappvorrichtung
oder eine Armbanduhr geformt sein, wie beispielsweise in der
US-Patentanmeldung Nr. 10/090,653 ,
eingereicht am 4. März
2002, demselben Rechtsnachfolger übertragen wie die vorliegende
Anmeldung und hierin durch Verweis darauf eingeschlossen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
misst die Anordnung 20 weniger als 30 Kubikzentimeter im Volumen.
Diese kompakte kleine Größe ermöglicht es
der Anordnung 20, in Gehäusen vieler verschiedener Formen
angebracht zu werden, nämlich
groß oder
klein, tragbar oder stationär,
einschließlich
einiger, die eine Anzeige 12, eine Tastatur 14 und
ein Fenster 16, durch welches das Bild projiziert wird,
an Bord aufweisen.
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Bezüglich der 2 und 3 umfasst
die Anordnung 20 einen Halbleiterlaser 22, welcher, wenn
er aktiviert ist, einen hellen roten Laserstrahl bei ungefähr 635–655 Nanometern
emittiert. Die Linse 24 ist eine bi-asphärische konvexe
Linse mit einer positiven Brennweite und ist dazu betreibbar, nahezu alle
Energie im roten Strahl zu sammeln und einen brechungsbeschränkten Strahl
zu erzeugen. Die Linse 26 ist eine konkave Linse mit einer
negativen Brennweite. Wie am besten in 8 erkennbar,
werden die Linsen 24, 26 mittels jeweiliger Linsenhalter auf
einem Träger
(der Übersichtlichkeit
halber nicht in 2 gezeigt) im Instrument 10 auseinander
gehalten. Die Linsen 24, 26 formen das Profil
des roten Strahls über
den Arbeitsabstand.
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Ein
weiterer Halbleiterlaser 28 ist auf dem Träger angebracht
und emittiert, wenn er aktiviert ist, einen brechungsbeschränkten blauen
Laserstrahl bei ungefähr
430–505
Nanometern. Eine weitere bi-asphärische
konvexe Linse 30 und eine konkave Linse 32 werden
verwendet, um das Profil des blauen Strahls auf eine den Linsen 24, 26 entsprechende Weise
zu formen.
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Ein
grüner
Laserstrahl mit einer Wellenlänge in
der Größenordnung
von 530 Nanometern wird nicht mittels eines Halbleiterlasers erzeugt,
sondern stattdessen mittels eines grünen Moduls 34, das
einen infrarotdiodengepumpten YAG-Kristalllaser aufweist, dessen Ausgabestrahl
1060 Nanometer beträgt.
Ein nichtlinearer Frequenzverdopplungskristall ist in der Infrarotlaserkavität zwischen
den zwei Laserspiegeln enthalten. Da die Infrarotlaserleistung in der
Kavität
viel größer ist
als die Leistung, die aus der Kavität ausgekoppelt wird, ist der
Frequenzverdoppler effizienter beim Erzeugen des grünen Lichts
doppelter Frequenz in der Kavität.
Der Ausgabespiegel des Lasers ist reflektierend für die 1060-nm-Strahlung
und durchlässig
für den
verdoppelten grünen 530-nm-Laserstrahl. Da der
korrekte Betrieb des Festkörperlasers
und des Frequenzverdopplers eine präzise Temperatursteuerung erfordert,
wird eine auf dem Peltier-Effekt beruhende Halbleitervorrichtung verwendet,
um die Temperatur des grünen
Lasermoduls zu steuern. Der thermoelektrische Kühler kann die Vorrichtung abhängig von
der Polarität
des angelegten Stroms entweder wärmen
oder kühlen.
Ein Thermistor ist Teil des grünen
Lasermoduls, um seine Temperatur zu überwachen. Der Messwert vom
Thermistor wird in den Controller eingespeist, welcher den Steuerstrom
zum thermoelektrischen Kühler
entsprechend einstellt.
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Wie
nachstehend erklärt,
werden die Laser bei Betrieb mit Frequenzen in der Größenordnung von
100 MHz gepulst. Der rote und der blaue Halbleiterlaser 22, 28 können mit
solch hohen Frequenzen gepulst sein, aber die aktuell erhältlichen
grünen Festkörperlaser
können
das nicht. Als ein Ergebnis ist der grüne Laserstrahl, der das grüne Modul 34 verlässt, mit
einem akustooptischen Modulator 36 gepulst, welcher eine
akustische Stehwelle in einem Kristall zum Brechen des grünen Strahls
erzeugt. Der Modulator 36 erzeugt jedoch einen nichtgebrochenen
Strahl 38 nullter Ordnung und einen gepulsten gebrochenen
Strahl 40 erster Ordnung. Die Strahlen 38, 40 divergieren
voneinander, und um sie zu trennen, um den unerwünschten Strahl 38 nullter
Ordnung zu beseitigen, werden die Strahlen 38, 40 entlang
eines langen, gefalteten Pfads mit einem Faltspiegel 42 weitergeleitet.
Alternativ kann ein elektrooptischer Modulator entweder extern oder
intern des grünen
Lasermoduls verwendet werden, um den grünen Laserstrahl zu pulsen.
Andere mögliche
Wege, um den grünen
Laserstrahl zu modulieren, umfassen Elektroabsorptionsmodulation
oder ein Mach-Zender-Interferometer. Die Strahlen 38, 40 werden
durch positive und negative Linsen 44, 46 geleitet.
Jedoch wird es nur dem gebrochenen grünen Strahl 40 ermöglicht,
auf den Faltspiegel 48 aufzutreffen und davon reflektiert
zu werden. Der nichtgebrochene Strahl 38 wird mittels eines
Absorptionselements 50 absorbiert, das vorzugsweise am
Spiegel 48 angebracht ist.
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Die
Vorrichtung umfasst ein Paar dichroitischer Filter 52, 54,
die so angeordnet sind, dass sie die grünen, blauen und roten Strahlen
so kollinear wie möglich
machen, bevor sie eine Scananordnung 60 erreichen. Ein
Filter 52 ermöglicht
es dem grünen Strahl 40,
dorthindurch zu laufen, aber der blaue Strahl 56 vom blauen
Laser 28 wird durch den Interferenzeffekt reflektiert.
Ein Filter 54 ermög licht
es dem grünen
und dem blauen Strahl 40, 56, dorthindurch zu
laufen, aber der rote Strahl 58 vom roten Laser 22 wird
durch den Interferenzeffekt reflektiert.
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Die
fast kollinearen Strahlen 40, 56, 58 werden
auf einen stationären
Abprallspiegel 62 gerichtet und davon weg reflektiert.
Die Scananordnung 60 umfasst einen ersten Scanspiegel 64,
der mittels eines Trägheitsantriebs 66 (einzeln
in 4–5 gezeigt)
oszillierbar bzw. hin- und herschwenkbar ist, und zwar mit einer
ersten Scanrate, um die Laserstrahlen, die vom Abprallspiegel 62 über den
ersten, horizontalen Scanwinkel A reflektiert werden, zu durchfahren
bzw. schwenken, und einen zweiten Scanspiegel 68, der mittels
eines elektromagnetischen Antriebs 70 oszillierbar ist,
und zwar mit einer zweiten Scanrate, um die Laserstrahlen, die vom
ersten Scanspiegel 64 über
den zweiten, vertikalen Scanwinkel B reflektiert werden, zu schwenken
bzw. sweepen. In einem abweichenden Aufbau, können die Scanspiegel 64, 68 durch
einen einzelnen, zweiachsigen Spiegel ersetzt werden.
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Der
Trägheitsantrieb
66 ist
eine Hochgeschwindigkeitskomponente, die wenig elektrische Leistung
verbraucht. Details des Trägheitsantriebs können in
der
US-Patentanmeldung Nr. 10/387,878 , eingereicht
am 13. März
2003, demselben Rechtsnachfolger übertragen wie die vorliegende
Anmeldung und hierin durch Verweis darauf eingeschlossen. Die Verwendung
des Trägheitsantriebs
verringert einen Leistungsverbrauch der Scananordnung
60 auf
weniger als ein Watt und, im Fall eines Projizierens eines Farbbilds,
wie nachstehend beschrieben, auf weniger als zehn Watt.
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Der
Antrieb 66 umfasst einen bewegbaren Rahmen 74 zum
Tragen des Scanspiegels 64 mittels eines Gelenks, das ein
Paar kollinearer Gelenkteile 76, 78 umfasst, die
sich entlang einer Gelenkachse erstrecken und sich zwischen gegenüberliegenden Bereichen
des Scanspiegels 64 und gegenüberliegenden Bereichen des
Rahmens befinden. Der Rahmen 74 muss den Scanspiegel 64 nicht
wie gezeigt umgeben.
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Der
Rahmen, die Gelenkteile und der Scanspiegel sind aus einem einstückigen,
allgemein planaren Siliziumsubstrat hergestellt, welches ungefähr 150 μm dick ist.
Das Silizium wird so geätzt,
dass es Ω-förmige Schlitze
bildet, die obere parallele Schlitzabschnitte, untere parallele
Schlitzabschnitte und U-förmige
mittige Schlitzabschnitte aufweist. Der Scanspiegel 64 weist
vorzugsweise eine ovale Form auf und ist in den Schlitzabschnitten
frei beweglich. In der bevorzugten Ausführungsform betragen die Abmessungen
entlang der Achsen des oval geformten Scanspiegels 749 μm × 1600 μm. Jeder
Gelenkteil misst 27 μm
in der Breite und 1130 μm
in der Länge. Der
Rahmen weist eine rechteckige Form auf, die 3100 μm in der
Breite und 4600 μm
in der Länge misst.
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Der
Trägheitsantrieb
ist auf einer allgemein planaren, gedruckten Leiterplatte 80 angebracht
und dazu betreibbar, den Rahmen direkt zu bewegen und den Scanspiegel 64 mittels
der Trägheit
indirekt um die Gelenkachse oszillieren zu lassen. Eine Ausführungsform
des Trägheitsantriebs
umfasst ein Paar piezoelektrischer Wandler 82, 84,
die sich senkrecht zur Leiterplatte 80 und in Kontakt mit
voneinander beabstandeten Teilen des Rahmens 74 an jeder
Seite des Gelenkteils 76 erstrecken. Ein Haftmittel kann verwendet
werden, um einen dauerhaften Kontakt zwischen einem Ende jedes Wandlers
und jedem Rahmenteil zu gewährleisten.
Das gegenüberliegende
Ende jedes Wandlers ragt aus der Rückseite der Leiterplatte 80 hervor
und ist mittels Drähten 86, 88 mit
einer periodisch wechselnden Spannungsquelle (nicht gezeigt) elektrisch
verbunden.
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Bei
Verwendung legt das periodische Signal eine periodische Antriebsspannung
an jeden Wandler an und bewirkt, dass sich der jeweilige Wandler abwechselnd
in der Länge
ausdehnt und zusammenzieht. Wenn sich der Wandler 82 ausdehnt,
zieht sich der Wandler 84 zusammen und umgekehrt, wodurch die
voneinander beabstandeten Rahmenteile gleichzeitig geschoben und
gezogen werden und bewirkt wird, dass sich der Rahmen um die Gelenkachse dreht.
Die Antriebsspannung besitzt eine Frequenz, die der Resonanzfrequenz
des Scanspiegels entspricht. Der Scanspiegel wird von seiner anfänglichen
Ruheposition aus bewegt, bis er ebenfalls mit der Resonanzfrequenz
um die Gelenk achse oszilliert. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind der Rahmen und der Scanspiegel ungefähr 150 μm dick, und der Scanspiegel
besitzt einen hohen Gütefaktor. Eine
Bewegung in der Größenordnung
von 1 μm
mittels jedes Wandlers kann eine Oszillation des Scanspiegels bei
Scanraten von über
20 kHz verursachen.
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Ein
weiteres Paar piezoelektrischer Wandler 90, 92 erstreckt
sich senkrecht zur Leiterplatte 80 und in dauerhaftem Kontakt
mit voneinander beabstandeten Teilen des Rahmens 74 an
jeder Seite des Gelenkteils 78. Die Wandler 90, 92 dienen
als Rückkopplungsvorrichtungen,
um die Oszillationsbewegung des Rahmens zu überwachen und elektrische Rückkopplungssignale
zu erzeugen und entlang von Drähten 94, 96 zu
einer Rückkopplungssteuerschaltung
(nicht gezeigt) zu leiten.
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Alternativ
kann, anstatt piezoelektrische Wandler 90, 92 für eine Rückkopplung
zu verwenden, eine magnetische Rückkopplung
verwendet werden, bei der ein Magnet auf der Rückseite des Hochgeschwindigkeitsspiegels
angebracht ist und eine externe Spule verwendet wird, um das wechselnde
Magnetfeld, das durch den oszillierenden Magneten erzeugt wird,
aufzunehmen.
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Obwohl
Licht von einer äußeren Oberfläche des
Scanspiegels reflektiert werden kann, ist es erwünscht, die Oberfläche des
Spiegels 64 mit einer spiegelnden Beschichtung aus Gold,
Silber, Aluminium oder einer speziell ausgestalteten hochgradig
reflektierenden dielektrischen Beschichtung zu beschichten.
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Der
elektromagnetische Antrieb 70 umfasst einen Permanentmagneten,
der sowohl an als auch hinter dem zweiten Scanspiegel 68 angebracht
ist, und eine elektromagnetische Spule 72, die dazu betreibbar
ist, als Antwort auf ein Empfangen eines periodischen Antriebssignals
ein periodisches Magnetfeld zu erzeugen. Die Spule 72 befindet
sich benachbart zum Magneten, sodass das periodische Feld mit dem
permanenten Feld des Magneten magnetisch zusammenwirkt und bewirkt,
dass der Magnet und wiederum der zweite Scanspiegel 68 oszillieren.
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Der
Trägheitsantrieb 66 oszilliert
den Scanspiegel 64 bei einer hohen Geschwindigkeit mit
einer Scanrate, die vorzugsweise größer als 5 kHz ist und insbesondere
in der Größenordnung
von 18 kHz oder mehr liegt. Diese hohe Scanrate liegt bei einer
unhörbaren
Frequenz, wodurch Rauschen und Vibration minimiert werden. Der elektromagnetische
Antrieb 70 oszilliert den Scanspiegel 68 bei einer
niedrigeren Scanrate in der Größenordnung
von 40 Hz, was schnell genug ist, um es dem Bild zu ermöglichen, ohne übermäßiges Flackern
auf der Netzhaut eines menschlichen Auges zu bestehen.
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Der
schnellere Spiegel 64 durchfährt eine horizontale Scanlinie
und der langsamere Spiegel 68 durchfährt die horizontale Scanlinie
vertikal, wodurch ein Raster erzeugt wird, welches ein Gitter oder
eine Folge von ungefähr
parallelen Scanlinien ist, aus welchen das Bild aufgebaut wird.
Jede Scanlinie besitzt eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung beträgt vorzugsweise
eine XGA-Qualität
von 1024 × 768
Pixeln. Über
einen begrenzten Arbeitsbereich können wir einen hochauflösenden Fernsehstandard
anzeigen, bezeichnet mit 720 p, von 1270×720 Pixeln. In einigen Anwendungen
ist eine Hälfte
der VGA-Qualität
von 320×480
Pixeln oder ein Viertel der VGA-Qualität von 320 × 240 Pixeln ausreichend. Eine
Auflösung
von 160×160
Pixeln ist mindestens erforderlich.
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Die
Rollen der Spiegel 64, 68 können umgekehrt werden, sodass
der Spiegel 68 der schnellere und der Spiegel 64 der
langsamere ist. Der Spiegel 64 kann auch dazu ausgestaltet
sein, die vertikale Scanlinie zu durchfahren, in welchem Falle der
Spiegel 68 die horizontale Scanlinie durchfahren würde. Der
Trägheitsantrieb
kann auch dazu verwendet werden, den Spiegel 68 anzutreiben.
In der Tat kann jeder Spiegel mittels eines elektromechanischen,
elektrischen, mechanischen, elektrostatischen, magnetischen oder
elektromagnetischen Antriebs angetrieben werden.
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Der
langsame Spiegel wird in einem Durchfahrmodus bzw. Sweep-Modus gleichbleibender
Geschwindigkeit betrieben, während
welcher Zeit das Bild angezeigt wird. Während der Spiegel zurückkehrt,
wird der Spiegel zur Anfangs position mit seiner natürlichen
Frequenz zurück
geschwenkt, welche wesentlich höher
ist. Während
der Rückkehr
des Spiegels können
die Laser ausgeschaltet werden, um den Leistungsverbrauch der Vorrichtung
zu verringern.
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6 ist
eine praktische Implementierung der Anordnung 20 aus der
gleichen Perspektive wie der aus 2. Die zuvor
genannten Komponenten sind auf einem Träger angebracht, welchen eine
Deckel 100 und eine Trägerplatte 102 umfasst.
Halter 104, 106, 108, 110, 112 halten
jeweils Faltspiegel 42, 48, Filter 52, 54 und
einen Abprallspiegel 62 in gegenseitiger Ausrichtung. Jeder
Halter weist eine Vielzahl von Positionierungsschlitzen zum Aufnehmen von
Positionierungsstäben
auf, die stationär
auf dem Träger
angebracht sind. Somit werden die Spiegel und Filter korrekt positioniert.
Wie gezeigt, gibt es drei Stäbe,
was zwei Winkeleinstellungen und eine seitliche Einstellung ermöglicht.
Jeder Halter kann in seine endgültige
Position geklebt werden.
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Das
Bild wird mittels selektiver Beleuchtung der Pixel in eine oder
mehrere der Scanlinien aufgebaut. Wie nachstehend mit Bezug auf 7 genauer beschrieben,
bewirkt ein Controller 114, dass ausgewählte Pixel im Raster mittels
der drei Laserstrahlen beleuchtet und sichtbar gemacht werden. Beispielsweise
leiten der rote, der blaue und der grüne Leistungscontroller 116, 118, 120 jeweils
elektrische Ströme
zum roten, zum blauen und zum grünen
Laser 22, 28, 34, um die letzteren einzuschalten,
um jeweilige Lichtstrahlen an jedem ausgewählten Pixel zu emittieren,
und leiten keine elektrischen Ströme zum roten, zum blauen und
zum grünen
Laser, um die letzteren auszuschalten, um die anderen nicht ausgewählten Pixel
nicht zu beleuchten. Das sich daraus ergebende Muster aus beleuchteten
und nichtbeleuchteten Pixeln stellt das Bild dar, welches jegliche Darstellung
von menschen- oder maschinenlesbarer Information oder Graphik sein
kann.
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Bezüglich 1 ist
das Raster in einer vergrößerten Ansicht
gezeigt. Beginnend an einem Endpunkt werden die Laserstrahlen mittels
des Trägheitsantriebs
entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scanrate
zu einem gegenüberliegenden
Endpunkt durchfahren, um eine Scanlinie zu bilden. Dar aufhin werden
die Laserstrahlen mittels des elektromagnetischen Antriebs 70 entlang
der vertikalen Richtung mit der vertikalen Scanrate zu einem weiteren
Endpunkt durchfahren, um eine zweite Scanlinie zu bilden. Die Bildung
nachfolgender Scanlinien erfolgt auf die gleiche Weise.
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Das
Bild wird im Raster mittels An- und Aus-Aktivierens oder Pulsens
des Lasers zu ausgewählten
Zeiten erzeugt, und zwar unter der Steuerung des Mikroprozessors 114 oder
der Steuerschaltung mittels Betriebs der Leistungscontroller 116, 118, 120.
Die Laser erzeugen sichtbares Licht und werden nur dann angeschaltet,
wenn ein Pixel im gewünschten
Bild gesehen werden soll. Die Farbe jedes Pixels wird mittels einer
oder mehrerer Farben der Strahlen bestimmt. Jegliche Farbe im sichtbaren Lichtspektrum
kann mittels der gezielten Überlagerung
eines oder mehrerer des roten, des blauen und des grünen Lasers
gebildet werden. Das Raster ist ein Gitter, das aus mehreren Pixel
auf jeder Linie und aus mehreren Linien besteht. Das Bild ist eine
Bitmap aus ausgewählten
Pixeln. Jede/r Buchstabe oder Nummer, jegliche/s graphische Ausgestaltung
oder Logo und sogar maschinenlesbare Strichcodesymbole können als
ein gebitmapptes Bild ausgebildet werden.
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Wie
in 7 gezeigt, wird ein eingehendes Videosignal mit
vertikalen und horizontalen Synchronisationsdaten sowie Pixel- und
Taktdaten unter Steuerung des Mikroprozessors 114 an rote,
blaue und grüne
Puffer 122, 124, 126 gesendet. Die Speicherung
eines ganzen VGA-Rahmens erfordert viele Kilobyte, und es wäre wünschenswert, über genug Speicher
in den Puffern für
zwei ganze Rahmen zu verfügen,
um es zu ermöglichen,
dass ein Rahmen geschrieben wird, während ein anderer Rahmen verarbeitet
und projiziert wird. Die gepufferten Daten werden unter der Steuerung
einer Geschwindigkeitsprofilbildungsvorrichtung 130 zu
einem Formstierer 128 und zu roten, blauen und grünen Nachschlagetabellen
("lookup tables"; LUTs) 132, 134, 136 gesendet,
um inhärente
interne Verzerrungen, die durch das Scannen verursacht werden, sowie
geometrische Verzerrungen, die durch den Winkel der Anzeige des
projizierten Bilds verursacht werden, zu korrigieren. Die sich daraus
ergebenden roten, blauen und grünen
digitalen Signale werden mittels Digital/Analog-Wandlern ("digital to analog
converters"; DACs) 138, 140, 142 in
rote, blaue und grüne
analoge Signale umgewandelt. Die roten und blauen analogen Signale
werden in rote und blaue Lasertreiber ("laser drivers"; LDs) 144, 146 eingespeist,
welche ebenfalls mit den roten und blauen Leistungscontrollern 116, 118 verbunden
sind. Das grüne
analoge Signal wird in einen Funkfrequenz ("radio frequency"; RF)-Treiber 150 für ein akustooptisches
Modul (AOM) eingespeist, und dann wiederum in den grünen Laser 34,
welcher ebenfalls mit einem grünen
LD 148 und dem grünen
Leistungscontroller 120 verbunden ist.
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Rückkopplungssteuerungen
sind auch in 7 gezeigt, einschließlich roter,
blauer und grüner Photodiodenverstärker 152, 154, 156,
die mit roten, blauen und grünen
Analog/Digital (A/D)-Wandlern 158, 160, 162 und
wiederum mit dem Mikroprozessor 114 verbunden sind. Wärme wird
mittels eines Thermistorverstärkers 164 überwacht,
der mit einem A/D-Wandler 166 und wiederum mit dem Mikroprozessor
verbunden ist.
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Die
Scanspiegel 64, 68 werden mittels Treibern 168, 170 angetrieben,
denen analoge Antriebssignale von den DACs 172, 174 eingespeist
werden, welche dann wiederum mit dem Mikroprozessor verbunden sind.
Rückkopplungsverstärker 176, 178 erfassen
die Position der Scanspiegel 64, 68 und sind mit
Rückkopplungs-A/Ds 180, 182 und
dann wiederum mit dem Mikroprozessor verbunden.
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Eine
Leistungsmanagementschaltung 184 wirkt so, dass sie die
Leistung minimiert, während
sie schnelle Anschaltezeiten ermöglicht,
vorzugsweise mittels Haltens des grünen Laser im An-Zustand während der
ganzen Zeit und mittels Erhaltens des Stroms der roten und des blauen
Lasers gerade unterhalb der Laserschwelle.
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Eine
Laserschutzabschaltungsschaltung 186 wirkt so, dass sie
die Laser abschaltet, falls erfasst wird, dass einer der Scanspiegel 64, 68 außer Position
ist.
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Nun
bezüglich 8 sind
der rote Laser 22 und die Linsen 24, 26 in
einer Position relativ zu einem Gestell gezeigt, in welchem der
Deckel 100 und die Trägerplatte 102 miteinander
integral sind, ausgeführt.
Der blaue Laser 28 und die Linsen 30, 32 weisen
eine ähnliche
Positionierung auf. Jeder Laser 22, 28 emittiert
einen Laserstrahl entlang einer entsprechenden optischen Achse 200.
Die Fokussierlinse 24, 30 ist eine starke positive
asphärische
Linse und weist eine Zentrierungs- oder mechanische Achse 202 auf,
die mittels der Weise bestimmt wird, auf welche die Linse in einem
hohlen, röhrenförmigen Halter 204 angebracht
ist. Wie gezeigt, weist der Halter einen axialen inneren Durchlass
auf, und die Linse 24 ist fest an einem dem Laser näheren Endbereich
angebracht.
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Idealerweise
fallen die optische und die mechanische Achse in einer perfekt zentrierten
Linse exakt zusammen. Jedoch tragen mechanische Toleranzen an der
Linse, dem Halter, dem Laser und dem Träger alle zu einem Zentrierungsfehler
bei, das heißt,
zu einem Maß an
Trennung dieser zwei Achsen, das am Brennpunkt der Linse gemessen
wird. Der Zentrierungswinkel entspricht der umgekehrten Tangente
der radialen Trennung, die durch die Brennweite geteilt wird, und
gemäß dieser
Erfindung ist der Zentrierungswinkel so nah zu Null wie möglich zu
machen, insbesondere in Anbetracht der sehr kurzen Wellenlängen des
roten Lasers 22 und/oder des blauen Lasers 28,
um sicherzugehen, dass die Laserstrahlen präzise fokussiert und ausgerichtet
werden, um ein Bild hoher Auflösung
und frei von Fehlern zu projizieren.
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Der
Laser 22 wird stationär
im Gestell getragen, vorzugsweise in einem zylindrischen Fach, in welchem
der Halter 204 aufgenommen ist. Zumindest ein Vorsprung
und vorzugsweise eine Vielzahl von Vorsprüngen 206, die gleichwinklig
um die mechanische Achse 202 herum angeordnet sind, erstreckt
sich radial von einer äußeren Wand
des Halters, um mit einer Presspassung in das Gestell einzugreifen.
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Wie
am besten in 8 ersichtlich, gibt es eine
kreisförmige
Lücke 208 zwischen
der äußeren Wand
des Halters und dem Gestell. Die Vorsprünge 206 stellen die
einzigen Kontaktierungsflächen
zwischen dem Halter und dem Ge stell dar. Das gegenüberliegende
Ende des Halters kann sich somit frei von oben nach unten und/oder
von Seite zu Seite in zwei zueinander orthogonalen Richtungen in
einer Ebene bewegen, die senkrecht zur optischen Achse 200 liegt,
indem sie sich um die Vorsprünge
dreht. Der Halter kann sich auch entlang der optischen Achse frei
axial bewegen, und zwar mittels axialen Schiebens oder Ziehens des
Halters derart, dass die Vorsprünge
gleichmäßig relativ
zum Gestell gleiten, wodurch drei Bewegungsfreiheitsgrade bereitgestellt werden,
um dadurch die mechanische Achse 202 der Linse 24 mit
der optischen Achse 200 auszurichten.
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Das
Gestell weist zumindest einen Werkzeugzugangsdurchlass, und vorzugsweise
ein Vielzahl von Werkzeugzugangsdurchlässen 210 (nur einer
gezeigt), zum Einführen
eines Werkzeugs 212 auf, um in den Halter einzugreifen
und ihn in eine gewünschte
der Einstellpositionen zu schieben, in welcher die mechanische und
die optische Achse eingestellt werden. Die Abdeckung bzw. der Deckel
weist auch zumindest einen Haftmitteleinlassdurchlass und vorzugsweise
ein Vielzahl von Haftmitteleinlassdurchlässen 212 zum Einleiten
eines aushärtbaren Haftmittels 214 in
die Lücke 208,
die den Halter umgibt, auf, um nach einem Aushärten den Halter nach einer
Ausrichtung in einer festen Position zu fixieren.
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Um
ein solches Aushärten
zu erleichtern, wird das Haftmittel durch UV- (ultraviolettes) Licht
gehärtet,
und der Halter besteht aus einem synthetischen Kunststoffmaterial,
wie beispielsweise glasfasergefülltem
Polykarbonat, welches UVlichtdurchlässig ist. Das UV-Licht wird
durch den gegenüberliegenden
Endbereich des Halters, d. h., weiter vom Laser entfernt, gestrahlt.
Das UV-Licht läuft
durch den lichtdurchlässigen
Halter und härtet
das Haftmittel überall
um den Halter herum aus, wodurch der Halter effektiv nach einer
Einstellung am richtigen Platz befestigt wird.
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Die
Glasfasern im Halter sind so ausgerichtet, dass sie im Wesentlichen
parallel zur optischen Achse liegen, und die Menge der Glasfasern
wird gesteuert, um einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
bereitzustellen, welcher mit dem des Lasers übereinstimmt, um eine Trennung
zwischen dem Laser und dem Halter während Temperaturveränderungen
zu minimieren.
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Die
Linse 26, welche eine negative Linse ist, ist ebenfalls
im Halter 204 angebracht. Die Linse 26 ist in
einer hohlen röhrenförmigen Hülse 216 befestigt,
die vorzugsweise aus Polykarbonat besteht. Die Hülse 216 wird axial
durch den gegenüberliegenden Endbereich
des Halters eingeführt.
Eine Vielzahl von nachgiebigen Beinen 218 greift in eine
innere Wand des Halters ein und hält die Hülse 216 an ihrem Platz. Die
Linse 26 wird somit in den Fokus eingestellt, indem auf
die Vorderseite der Linse 26 gedrückt wird. Die Hülse 216 wird
an ihrem Platz fixiert mittels Einleitens eines UV-aushärtbaren
Haftmittels von der Vorderseite des Halters und Aussetzens der Vorderseite
des Halters dem UV-Licht.
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Da
die optische und die mechanische Achse für den roten und den blauen
Laser ausgerichtet sind, besitzt das Bild nicht nur eine hohe Auflösung, sondern
die numerische Apertur des Fokussierungssystems ist auch hoch genug,
um sicherzustellen, dass genug Laserlicht für eine helle Anzeige aufgefangen wird.
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Während die
Erfindung als in einer Laserstrahlfokussierungsanordnung und -verfahren,
insbesondere zur Verwendung in einer Farbbildprojektionsanordnung
und -verfahren, verkörpert
gezeigt und beschrieben worden ist, ist es nicht beabsichtigt, sie
auf die gezeigten Details zu beschränken, da verschiedene Modifikationen
und strukturelle Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne auf irgendeine Weise vom Umfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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Was
als neu beansprucht wird und durch Patente geschützt werden soll, ist in den
beigefügten Ansprüchen ausgeführt.
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Zusammenfassung:
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Ein
leichtes, kompaktes Bildprojektionsmodul, insbesondere zum Anbringen
in einem Gehäuse mit
einem lichtdurchlässigen
Fenster, ist dazu betreibbar, zu bewirken, dass ausgewählte Pixel
in einem Raster beleuchtet werden, um ein Bild hoher Auflösung in
VGA- oder höherer
Qualität
in Farbe zu erzeugen. Eine Laserstrahlfokussierungsanordnung richtet
eine mechanische Achse einer Fokussierlinse mit einer optischen
Achse aus, entlang welcher ein Laserstrahl gerichtet wird, um Richtfehler
zu verringern.