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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet kohärent beleuchteter
Systeme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reduzierung
von Speckel- und Interferenzmuster in laserbeleuchteten Projektionssystemen.
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Hintergrund der Erfindung
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Laserspeckel
bzw. Laserflecken können
durch Interferenzmuster hervorgerufen werden, die erzeugt werden,
wenn kohärentes
Licht eine raue Oberfläche
ausleuchtet. Die Reflektion von der rauen Oberfläche kann eine diffuse Reflektion
hervorrufen. Eine Durchstrahlung der rauen Oberfläche erzeugt
eine diffuse Durchstrahlung. Wenn Licht auf eine raue Oberfläche auftritt,
tritt diffuse Reflektion und/oder diffuse Durchstrahlung auf und
Licht wird in diverse Richtungen gestreut. In einem Laserprojektor
wird ein kohärenter
Lichtstrahl als Lichtquelle verwendet. Der Laserstrahl aus dem Projektor
trifft auf den Anzeigeschirm, das Licht wird von der Oberfläche unter
diversen Winkeln reflektiert und es tritt eine zufällige räumliche
Interferenz des kohärenten
Laserlichts mit sich selbst auf. Die resultierende Interferenz der
kohärenten
Lichtstrahlung bewirkt konstruktive und destruktive Interferenz.
Für das
menschliche Auge tritt dieser Bildfehler als ein Speckel-Muster bzw.
Fleckenmuster in Erscheinung.
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Beugung
kann auch dazu beitragen, dass ein weiterer Bildfehler bei Laserprojektoren
auftritt, in denen beugende Elemente, etwa Gitterlichtventil-(GRV)Modulatoren
verwendet werden, wie dies beispielsweise im
US-Patent 5,982,553 beschrieben ist.
Wohingegen Speckels bzw. Flecken durch Interferenz des von dem Anzeigeschirm
gestreuten Lichts hervorgerufen werden, können die beugenden Elemente
im Strahlengang des Laserstrahls ein Interferenzmuster in dem auf
dem Anzeigeschirm auftreffenden Licht erzeugen. Dieses Muster kann
für den
Betrachter in Form von dunklen und hellen horizontalen Linien in
Erscheinung treten und wird durch die Interferenz zwischen gebeugten
Ordnungen nach deren Wiedervereinigung hervorgerufen.
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Es
wurden zahlreiche Versuche unternommen, um die Wirkungen der Laserflecken
auf die Bildqualität zu
verringern.
US-Patent 3,633,999 offenbart
die Verwendung eines Strahlteilers, um einen Laserstrahl in zwei Strahlen
aufzuteilen. Die Strahlen werden dann zusammengeführt, nachdem
die optische Weglänge
eines Strahls um mehr als eine Kohärenzlänge des Lasers vergrößert wurde.
Auf Grund dessen, dass die beiden Strahlen nicht mehr kohärent sind,
erzeugt der zusammengeführte
Strahl weniger Flecken, wenn dieser von einer Oberfläche, etwa
einem Anzeigeschirm, reflektiert wird. Jedoch ist diese Methode
nur für
Laser effizient, die eine kurze Kohärenzlänge aufweisen. Ein Instrument
mit großer
Kohärenzlänge kann
unter Umständen schwierig
in ein Gehäuse
eingebracht werden.
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US-Patent 6,323,984 offenbart
die Verwendung von Phasengittern, um die Auswirkungen der Laserflecken
auf die Bildqualität
von lasergestützten
Projektoren zu vermeiden, die ein zweidimensionales Bild durch Abtasten
eines Zeilenbildes über
eine diffuse Oberfläche
hinweg erzeugen. Das offenbarte Phasengitter ist ein einfaches zweidimensionales
Muster, das aus einer wiederholten Anordnung aus Zeilen mit Phasenverzögerung besteht.
Eine spätere
Veröffentlichung
des Erfinders (J. I. Trisnadi „Speckel-Kontrat-Projektierung
in Laserprojektionsanzeigen",
in Projection Displays VIII, Pro. SPIE 4657, M. H. Wu, Editor (Soc.
Photo-Opt. Instru. Engrs., Bellingham, WA, 2002, Seiten 131 bis
137) beschreibt eine weiterentwickelte Konfiguration unter Anwendung
sogenannter Hadamard-Matrizen, um eine effizientere Reduzierung
im Speckel-Kontrast zu erreichen. Das Hadamard-Matrix-Phasengitter kann
in Schwingung versetzt werden, um damit den Fleckenkontrast weiter
zu reduzieren, indem das Phasengitter relativ zu dem Zeilenbild
für jede
Abtastung des Projektors bewegt wird, wobei das Auge über mehrere
hintereinanderfolgende Abtastbewegungen integriert. Jedoch kann die
Verwendung von Phasengittern zu einem Verlust an Lichtintensität führen, wenn
der Laserstrahl in höhere Beugungsordnungen
mit Winkeln gebeugt wird, die zu groß sein können, als dass sie von der
Optik wieder zusammengeführt
werden. Obwohl das Phasengitter den Fleckenkontrast verringern kann,
kann die Verwendung von Phasengittern auch unerwünschte Interferenzmuster auf
dem Anzeigeschirm erzeugen. Die Verwendung von Phasengittern kann
dazu führen,
dass lediglich ein Bildfehler durch einen anderen ersetzt wird.
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Schließlich offenbart
die PCT-Patentanmeldung
WO 01/57581 ein
Verfahren zur Reduzierung der Flecken durch Aufteilen des Laserstrahls
aus einem Laserprojektor in zwei Wege und Variieren der optischen
Länge der
Wege unter Anwendung eines piezoelektrischen Wandlers. Durch Variieren
der optischen Weglängen mit
einer Amplitude entsprechend einem ungeradzahligen Vielfachen einer
halben Wellenlänge
des Lasers und mit einer Frequenz, die ausreichend ist, so dass
sie vom Auge nicht erkannt werden kann, kann der Kontrast eines
einzelnen Fleckenmusters wirksam um bis zu 30% verringert werden,
ohne dass die Differenz im optischen Weg größer sein muss als die Kohärenzlänge des
Lasers. Dieses Verfahren kann wirksam sein bei der Reduzierung von
Laserflecken für
Lasergeräte
mit einer langen Kohärenzlänge. Jedoch
verringert dieses Verfahren die objektbasierten Interferenzmuster,
die in dem Bild, das auf den Anzeigeschirm auftrifft, auf Grund der
beugenden Elemente in dem Projektor in Erscheinung treten können. Obwohl
dieses Verfahren mit dem obigen statischen Phasengitter zusammen
verwendet werden kann, ergibt sich keine zusätzliche Verbesserung, wenn
es mit dem schwingenden Phasengitter oben verwendet wird, da beide
Verfahren bei jeder Abtastbewegung des Projektors angepasst werden
müssen.
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Überblick über die Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren bereit,
um Laserflecken- und Interferenzmuster in einer Laserprojektoranzeige
zu reduzieren, wenn ein Laserprojektor mit einem räumlichen
Lichtmodulator (SLM) mit einer definierten Pixelrate verwendet wird.
Das Verfahren umfasst das Polarisieren eines Laserausgangsstrahls
eines Lasers mit kontinuierlichem Ausgangsstrahl derart, dass der
Laserausgangsstrahl S-polarisiert ist in Bezug auf einen Strahlenkombinierer.
Der S-polarisierte Laserausgangsstrahl kann in einen ersten Laserstrahl
und einen zweiten Laserstrahl aufgeteilt werden. Eine Phase des
zweiten Laserstrahls wird mit einer Amplitude, die ausreicht, um
eine Phasenverzögerung
von ungefähr
der Hälfte
einer Wellenlänge
des Laserausgangsstrahls zu erzeugen, und mit einer Frequenz von
mindestens dem doppelten der SLM-Pixelrate moduliert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Blockansicht, in der eine Vorrichtung zum Reduzieren von Laserflecken-
und Interferenzmustern in einer Laserprojektoranzeige gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
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2 ist
eine Blockansicht, in der eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist, wobei die Vorrichtung aus 1 ferner
mit der Verwendung eines Viertelwellenlängenplättchens und eines Polarisationsschiebers
gezeigt ist; und
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3 ist
ein Flussdiagramm, in der ein Verfahren zum Reduzieren der Laserflecken-
und Interferenzmuster in einer Laserprojektoranzeige gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Es
wird nun auf beispielhafte Ausführungsformen
hingewiesen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, und es wird
hierin eine spezielle Ausdrucksweise angewendet, um diese Ausführungsformen
zu beschreiben. Dennoch ist zu beachten, dass eine Einschränkung des
Schutzbereichs der Erfindung dadurch nicht beabsichtigt ist. Änderungen
und weitere Modifizierungen der erfindungsgemäßen Merkmale, die hierin dargestellt
sind, und weitere Anwendungen der hierin dargestellten Prinzipien
der Erfindung, wie sie sich dem Fachmann in Besitze der vorliegenden
Offenbarung erschließen,
werden als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
liegend erachtet.
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Um
die beschriebenen Probleme zu lösen
und ein effizientes System zum Reduzieren der sichtbaren Störungen in
einer Laserprojektoranzeige bereitzustellen, gibt die vorliegende
Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren von
Laserflecken- und Interferenzmuster in einer Laserprojektoranzeige
an, wenn ein Laserprojektor mit einem räumlichen Lichtmodulator (SLM)
mit einer definierten Pixelrate verwendet wird, wie in 1 gezeigt
ist. Die definierte Pixelrate kann eine beliebige Pixelrate sein,
die erforderlich ist, so dass ein Betrachter ein gewünschtes
Bild betrachten kann. Beispielsweise kann die Pixelrate auf einen
ausreichend hohen Wert festgelegt werden, um das Flackern in dem
Bild zu reduzieren. Die Pixelrate kann in Abhängigkeit von der Größe des Bildes
oder Anzeige variieren, auf denen Licht aus dem Projektor dargestellt wird.
Eine Pixelrate, die zum Erzeugen eines Bildes mit 60 Bildern pro
Sekunde ausreichend ist, kann damit für eine Art an Anzeige geeignet
sein. Eine Pixelrate, die ausreicht, ein Bild mit 100 Bildblöcken pro
Sekunde zu erzeugen, kann für
eine andere Art an Anzeigen geeignet sein.
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Die
Vorrichtung 110 umfasst einen Laser mit kontinuierlicher
Ausgangsleistung 102 mit einem Laserausgangsstrahl 104.
In einer Ausführungsform
wird ein erstes Halbwellenlängenplättchen 106 in
dem Laserausgangsstrahl 104 positioniert. Das erste Halbwellenlängenplättchen kann
so konfiguriert sein, dass es den Laserausgangsstrahl polarisiert,
um damit einen S-polarisierten Laserausgangsstrahl 108 zu
erzeugen. Ein erster polarisationsunabhängiger Strahlteiler 110 ist
in einem optischen Weg des S-polarisierten Laserausgangsstrahls
angeordnet und ist ausgebildet, den S-polarisierten Laserausgangsstrahl
in einen ersten Laserstrahl 112 und einen zweiten Laserstrahl 116 aufzuteilen,
wobei die Laserstrahlen in zwei im Wesentlichen gleiche orthogonale
Laserstrahlen durch Durchlassen bzw. Reflektieren aufgeteilt werden.
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Ein
Phasenmodulator 118 kann innerhalb des optischen Wegs des
zweiten Laserstrahls 116 angeordnet und ausgebildet sein,
die Phase des zweiten Laserstrahls mit einer Amplitude in Schwingung
zu versetzen, die ausreicht, um eine Phasenverzögerung von ungefähr der Hälfte der
Wellenlänge
des Laserausgangsstrahls 104 zu erzeugen, und kann mit
einer Frequenz in Schwingung versetzt werden, die zumindest dem Zweifachen
der Pixelrate des Laserprojektors entspricht. Der Phasenmodulator
ist ausgebildet, die Phase des zweiten Laserstrahls bei einer Frequenz
schwingen zu lassen, die wesentlich größer ist als die Pixelrate des Laserprojektors,
abhängig
davon, ob beugende Elemente in dem Laserprojektor eingesetzt sind.
Um bei einer hohen Änderungsrate
arbeiten zu können,
kann der Phasenmodulator ein elektrooptischer Phasenmodulator sein.
Dies wird nachfolgend detaillierter erläutert.
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Ein
erster im Wesentlichen vollständig
reflektierender Spiegel 114 ist in dem optischen Weg des
ersten Laserstrahls 112 angeordnet. Der Spiegel ist ausgebildet,
den ersten Laserstrahl von dem ersten polarisationsunabhängigen Strahlteiler 110 auf
einen zweiten polarisationsunabhängigen
Strahlteiler 114 zu reflektieren. In ähnlicher Weise ist ein zweiter
im Wesentlichen vollständig
reflektierender Spiegel 122 in dem optischen Weg des zweiten
Laserstrahls 116 angeordnet und ausgebildet, den phasenmodulierten
zweiten Laserstrahl 120, der von dem Phasenmodulator 118 ausgesandt
wird, auf den zweiten polarisationsunabhängigen Strahlteiler zu reflektieren.
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Der
zweite polarisationsunabhängige
Strahlteiler 124 ist ausgebildet, ungefähr die Hälfte des ersten Laserstrahls 112 in
einer Richtung durchzulassen und ungefähr die Hälfte des ersten Laserstrahls
in einer zweiten Richtung zu reflektieren. Es ist auch möglich, dass
der Strahlteiler den ersten und den zweiten Strahl in nicht-orthogonale
Winkel durchlässt
bzw. reflektiert. Der zweite polarisationsunabhängige Strahlteiler kann ebenfalls
ungefähr
die Hälfte
des phasenmodulierten zweiten Laserstrahls 120 in der zweiten
Richtung durchlassen und ungefähr
die Hälfte
des phasenmodulierten zweiten Laserstrahls in der ersten Richtung
reflektieren.
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Es
kann ein dritter Laserstrahl 126 aus dem reflektierten
Anteil des ersten Laserstrahls 112 und dem durchgelassenen
Anteil des phasenmodulierten zweiten Laserstrahls 120 gebildet
werden. Ein vierter Laserstrahl 130 kann aus dem durchgelassenen
Teil des ersten Laserstrahls und dem reflektierten Teil des phasenmodulierten
zweiten Laserstrahls gebildet werden. Somit enthalten der dritte
und der vierte Laserstrahl jeweils einen Strahl, der zur Hälfte aus
moduliertem Licht und zur Hälfte
aus nicht moduliertem Licht besteht.
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Ein
dritter im Wesentlichen vollständig
reflektierender Spiegel 128 kann in dem optischen Weg des dritten
Laserstrahls 126 vorgesehen werden. Der Spiegel ist ausgebildet,
den dritten Laserstrahl von dem zweiten polarisationsunabhängigen Strahlteiler 1245 auf
einen Strahlkombinierer 140 zu reflektieren. In ähnlicher Weise
wird ein vierter im Wesentlichen vollständig reflektierender Spiegel 132 in
dem optischen Weg des vierten Laserstrahls 130 angeordnet.
Der Spiegel kann so ausgebildet sein, den vierten Laserstrahl von
dem zweiten polarisationsunabhängigen
Strahlteiler auf ein zweites Halbwellenlängenplättchen 136 zu reflektieren.
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Das
zweite Halbwellenlängenplättchen 136 ist
ausgebildet, den vierten Laserstrahl so zu polarisieren, dass die
Polarisierung des vierten Laserstrahls senkrecht zur Polarisierung
des dritten Laserstrahls orientiert ist. Es ist üblich auf dem Gebiet der Optik,
orthogonal polarisierte Lichtstrahlen als ein s-polarisertes elektrisches
Feld und ein p-polarisiertes elektrisches Feld zu bezeichnen. Ein
S-polarisiertes elektrisches Feld besitzt eine Polarisation, die
senkrecht zu Einfallsebene ist, die als die Ebene definiert ist,
die durch den einfallenden und den reflektierten Strahl gebildet
wird. Ein P-polarisiertes elektrisches Feld besitzt eine Polarisation,
die parallel zur Einfallsebene ist. Das zweite Halbwellenlängenplättchen kann
in dem optischen Weg des vierten Laserstrahls angeordnet werden,
nachdem der Strahl von dem vierten im Wesentlichen vollständig reflektierenden
Spiegel 132 reflektiert wird.
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Der
P-polarisierte Laserstrahl 138 wird von dem zweiten Halbwellenlängenplättchen ausgegeben
und fällt
auf einen Strahlkombinierer 140.
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Der
Strahlkombinierer 140, wie er in der vorliegenden Ausführungsform
verwendet wird, ist polarisationsabhängig. Wenn somit der Strahlkombinierer
als eine Einfallsebene verwendet wird, kann der dritte Laserstrahl 126 S-polarisiert
sein, d. h. eine Polarisation aufweisen, die senkrecht in Bezug
auf die Einfallsebene des Strahlkombinierers ist. Die s-Polarisation
kann erreicht werden, indem der Laserausgangsstahl 104 durch das
erste Halbwellenlängenplättchen 106 läuft, wie
dies zuvor erläutert
ist. Der polarisierte vierter Laserstrahl 138 kann p-Polarisiert
sein, d. h. eine Polarisation aufweisen, die parallel in Bezug auf
die Einfallsebene des Strahlkombinierers ist. Sowohl der s-polarisierte
dritte Laserstrahl 126 und der p-polarisierte vierte Laserstrahl 138 weisen
zur Hälfte
moduliertes und zur Hälfte
nicht moduliertes kohärentes
Licht auf. Der Strahlkombinierer kann so positioniert werden, dass
dieser an einen Punkt angeordnet ist, an dem sich der dritte und
der vierte Laserstrahl schneiden, so dass diese Strahlen zu einem
fünften
Laserstrahl 124 zusammengeführt werden können. Der
fünfte
Laserstrahl enthält
zur Hälfte
moduliertes und zur Hälfte
nicht moduliertes kohärentes
Licht. Der fünfte
Laserstrahl kann linear polarisiert, zirkular polarisiert oder elliptisch
polarisiert sein, abhängig
von der Phase des dritten und des vierten Laserstrahls, wenn diese
kombiniert werden.
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Das
Aufteilen und dann das Wiederzusammenführen der Strahlen, wie es in 1 gezeigt
ist, kann den Kontrast des Fleckenmusters reduzieren, das von einem
Leseprojektionssystem auf einem Anzeigebildschirm erzeugt wird,
wenn der Unterschied in der Länge
zwischen den aufgeteilten Strahlen größer ist als die Kohärenzlänge des
Laserausgangsstrahls. Wenn der Längenunterschied
kleiner ist als die Kohärenzlänge des Laserausgangsstrahls,
wie in der vorliegenden Ausführungsform,
dann sind die beiden Strahlen weiterhin kohärent, wenn diese wieder zusammengeführt werden.
Der Schirm 146 der Leserprojektoranzeige kann aus Streuzentren
aufgebaut sein, die das kohärente
Licht aus dem Laserprojektor in unterschiedliche Richtungen verteilen.
Auf Grund der Höhenunterschiede
dieser Streuzentren besitzt das Licht, das das Auge des Betrachters
von benachbarten Punkten aus erreicht, unterschiedliche Weglängen. Das
Licht von dem Anzeigeschirm, das zusammen den kleinsten auflösbaren Punkt
für den
Betachter bildet, interferiert miteinander und kann damit Fälle oder
dunkle Flecken oder eine dazwischenliegende Intensität annehmen,
wie dies zuvor erläutert
ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
bilden die wiedervereinigten Strahlen ein neues Fleckenmuster für einen
Beobachter, der auf den Anzeigeschirm blickt, da die Phase von ungefähr der Hälfte der
Lichtintensität
geändert
wurde. Obwohl sich das neue Fleckenmuster von dem Fleckenmuster
des ursprünglichen
einzelnen Strahls unterscheidet, bleiben die Menge der Fleckenoder
der Betrag des Fleckenkontrasts gleich, wenn die Längendifferenz
zwischen den aufgeteilten Strahlen kleiner ist als die Kohärenzlänge des
Laserausgangsstrahls.
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Um
den Fleckenkontrast zu reduzieren, ändert der Phasenmodulator die
Phase eines der Strahlen – in
dieser Ausführungsform
des zweiten Laserstrahls 116 – mit einer hohen Frequenz.
Die Spitze-Spitze-Amplitude des Modulators sollte ungefähr 180 Grad
Phasenverzögerung
erzeugen, was einer Änderung
der optischen Weglänge
von ungefähr
der halben Wellenlänge
entspricht. Die Frequenz sollte mindestens zwei mal so hoch sein
wie die Pixelrate des Projektors. Durch Modulieren der Phase mit
einer Frequenz von dem Zweifachen der Pixelrate des Projektors durchläuft jedes
Streuzentrum auf dem Anzeigeschirm mindestens zwei Zyklen mit konstruktiver
und destruktiver Interferenz zwischen zwei Strahlen für jedes
Pixel. Die Phasenmodulation mit hoher Frequenz ist wesentlich schneller
als die Reaktionszeit des Auges, so dass die variierende Intensität im Auge
gemittelt wird. Somit kann die Phase in effizienter Weise zwei unterschiedliche
Fleckenmuster erzeugen.
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Es
ist im Stand der Technik gut bekannt, dass Flecken verringert werden
können,
indem N nicht korrelierte Fleckenmuster überlagert werden. Dies kann
den Kontrast der Flecken auf dem Anzeigebildschirm um höchstens 1/√N verringern. Somit kann
die Verwendung eines Phasenmodulators mit hoher Frequenz zur Erzeugung
zweier nicht korrelierter Fleckenmuster den Flecken-Kontrast von
100 % auf 1/√2 oder ungefähr 70% verringern.
Um eine größere Änderung
im Kontrast hervorzurufen, kann eine größere Anzahl an nichtkorrelierter
Fleckenmuster erzeugt werden.
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Es
kann ein räumlicher
Lichtmodulator (SLM) 144 in dem optischen Weg des fünften Laserstrahls 142 angeordnet
und ausgebildet sein, die in der Polarisation gedrehten Strahlen
auf einen Anzeigeschirm 146 zu richten. Der fünfte Laserstrahl
kann mit einer Rate in Rasterbewegung bewegt werden, die es einem
Betrachter ermöglicht,
das gesamte Bild ohne wahrnehmbare Unregelmäßigkeiten, die durch die Rasterbewegung
hervorgerufen werden, zu betrachten. Dies kann typischerweise mit
einer Abtastrate von ungefähr
60 Herz oder höher
erreicht werden. Der räumliche
Lichtmodulator kann ein elektro-optischer SLM, ein photoleitender
Flüssigkristall-SLM
oder ein photoleitender deformierbarer Spiegel als SLM sein. Beispielsweise
ist in einer Ausführungsform
der SLM ein Gitterlichtventil (GLV). Das GLV kann verwendet werden,
um den fünften
Laserstrahl auf den Anzeigeschirm in einer Rasterbewegung abzubilden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
kann das phasenmodulierte Licht von der Vorrichtung 100 in 1 mit
einem Hochfrequenzpolarisationsrotor 208 kombiniert werden,
wie in 2 gezeigt ist. Ein Viertelwellenlängenplättchen 204 wird
in dem optischen Weg des fünften
Laserstrahls 142 vorgesehen. Die Polarisierung des fünften Laserstrahls
hängt von
der Phase des dritten Laserstrahls 126 und des vierten
Laserstrahls 138 ab, wenn diese zusammengeführt werden.
Das Viertelwellenlängenplättchen kann
so ausgebildet sein, dass es die Phase der S- und P-Polarisationen
in dem fünften
Laserstrahl zu einem kohärenten
linear polarisierten Strahl verschiebt. Alternativ kann das Viertelwellenlängenplättchen ausgebildet
sein, eine elliptische Polarisierung des fünften Laserstrahls zu erzeugen.
Der Hochfrequenzpolarisationsrotor kann in dem optischen Weg des
polarisierten Laserstrahls 206, der von dem Viertellängenplättchen austritt,
angeordnet werden. Der Polarisationsrotor ist ausgebildet, um sich
mit dem doppelten der Frequenz des Phasenmodulators 118 (1) oder
schneller zu drehen. Um bei einer hohen Änderungsrate zu arbeiten, kann
der Phasenmodulator ein elektrooptischer Phasenmodulator sein. Durch
Drehen der Polarisation des linear polarisierten Strahls interferieren die
Fleckenmuster der s- und p-Polarisationen nach dem depolarisierenden
Schirm nicht miteinander, da diese sequenziell zugeführt werden.
Dies kann zwei zusätzliche
nicht-korrelierte Fleckenmuster erzeugen, wodurch der Fleckenkontrast
zusätzlich
um 30% verringert wird.
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Ein
Raster- bzw. Abtastspiegel 212 (oder SLM) kann in dem optischen
Weg des in der Polarisation gedrehten Strahls 210 angeordnet
werden und so konfiguriert sein, um den in der Polarisation gedrehten
Strahl auf einen Schirm 216 zu richten. Der in der Polarisation
gedrehte Strahl kann mit einer Rate in einer Rasterbewegung bewegt
werden, die es einem Betrachter ermöglicht, das gesamte Bild ohne
erkennbare Unregelmäßigkeiten,
die durch die Rasterung bzw. Abtastung hervorgerufen werden, zu
betrachten. Dies kann erreicht werden mit einer Abtastrate von ungefähr 60 Hz
oder größer. Der
Schirm kann ein depolarisierender Schirm sein. Ein depolarisierender
Schirm kann zwei unabhängige
Fleckenmus ter aus einem linear-polarisierten Strahl erzeugen, wodurch
die Flecken um zusätzlich
30% verringert werden.
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Die
erste und die zweite Ausführungsform
können
ebenso in Verbindung mit einem bewegbaren Phasengitter oder Streuer
(nicht gezeigt) verwendet werden, indem die optische Weglänge mit
der doppelten Frequenz der Phasengitterzellen oder schneller variiert
wird. Z. B. kann eine Phasengitterzelle die Größe von 1/8 eines Pixels aufweisen.
Die Phasengittermatrix kann 8 Zellen pro Pixel enthalten. Wenn die
maximale Pixelrate ungefähr
1 Pixel beträgt,
das für
1/10 000 der Abtastbewegung dargestellt wird, und der Laserprojektor
mit einer Abtastrate von 60 Hz betrieben wird, kann die Schwingungsfrequenz
der optischen Wegelänge
variiert werden mit:
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Um
damit in dem obigen Aufbau unter Anwendung eines Phasengitters die
Flecken zu verringern, sollte die optische Weglänge mit einer Frequenz von
mindestens 9,6 MHz mit einer Amplitude von ungefähr der halben Wellenlange (oder
einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge) des Laserausgangsstrahls 104 variiert
werden.
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In
diesem Beispiel kann das Phasengitter 8 Fleckenmuster pro
Abtastung des Projektors repräsentieren,
wodurch die Flecken um 1/√8 verringert werden.
Durch Bewegen des Phasengitters bei jeder Rasterung des Projektors
sind 8 unterschiedliche Fleckenmuster bei jeder Rasterung vorhanden.
Unter Annahme, dass die Integrationszeit des menschlichen Auges,
d. h. die Zeit, die das Auge zum Erkennen einer Änderung benötigt, ungefähr 50 Millisekunden beträgt, kann
ein Projektor, der mit 60 Hz Rasterung betrieben wird, drei Abtastdurchgänge innerhalb
der Integrationszeit des Auges durchlaufen. Somit kann das Phasengitter 1/√3 × 8 = 1/√24 an Fleckenreduktion
erreichen. Das Variieren des optischen Weges mit einer ausreichenden
Frequenz erzeugt ein Maximum und Minimum in jedem Durchlauf für jede Zelle,
so dass es zwei Weglängen
pro Zerstreuerzelle gibt. Mit den beiden Weglängen pro Zerstreuerzelle sollte
die Anzahl der Fleckenmuster verdoppelt werden, wodurch der Fleckenkontrast
durch 1/√2 × 24 = 1/√48 = 0.144 des ursprünglichen
Fleckenkontrast absinkt. Somit kann der Fleckenkontrast bis zu weiteren
85,6 % verringert werden.
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Zusätzlich zum
Reduzieren des Fleckenkontrast kann die vorliegende Erfindung den
Kontrast von Interferenzlinien reduzieren, die auf dem Schirm in
Erscheinung treten können.
Wie zuvor erläutert
ist, können lnterferenzlinien
durch die Verwendung von beugenden Elementen, etwa einem GLV oder
einem Phasengitter hervorgerufen werden. Die vorliegende Erfindung
kann den Interferenzkontrast auf dem Schirm reduzieren, indem die
Weglänge
der beiden orthogonalen Polarisierungen geändert wird. Durch Variieren
der Weglänge
der Hälfte
der S-Polarisierung und der Hälfte
der P-Polarisierung können
sich die Interferenzlinien mit hoher Frequenz zwischen zwei Zuständen ändern und
können
durch das Auge integriert werden, so dass ein geringerer Kontrast
entsteht.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Reduzieren von
Laserflecken- und Interferenzmuster in einer Laserprojektoranzeige
bereit, wenn ein räumlicher
Lichtmodulator (SLM) verwendet wird, der eine definierte Pixelrate
aufweist, wie dies in dem Flussdiagramm aus 3 gezeigt ist.
Das Verfahren umfasst das Polarisieren eines Laserausgangsstrahls
eines Lasers mit kontinuierlicher Betriebsweise, so dass der Laserausgangsstrahl
in Bezug auf einen Strahlkombinierer S-polarisiert ist, wie dies im
Block 310 gezeigt ist. Ein weiterer Schritt beinhaltet
das Unterteilen des S-polarisierten Laserausgangsstrahls in einen
ersten Laserstrahl und einen zweiten Laserstrahl, wie im Block 320 gezeigt
ist. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Modulieren der Phase des
zweiten Laserstrahls mit einer Amplitude, die ausreichend ist, eine
Phasenverzögerung
von ungefähr
der Hälfte
einer Wellenlänge
des Laserausgangsstrahls zu erzeugen, und mit einer Frequenz, die
mindestens das Zweifache der Pixelrate des SLM ist, wie dies im
Block 330 gezeigt ist. Der in diesem Schritt verwendete
Phasenmodulator kann ein elektrooptischer Phasenmodulator sein.
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Ein
weiterer Schritt beinhaltet das Mischen des ersten und des zweiten
Laserstrahls um einen dritten und einen vierten Laserstrahl zu erzeugen,
wobei der dritte und der vierte Laserstrahl jeweils ungefähr die Hälfte des
ersten Laserstrahls und ungefähr
die Hälfte
eines phasenmodulierten zweiten Laserstrahls enthalten, wie im Block 340 gezeigt
ist. Das Mischen, wie es in diesem Beispiel eingesetzt wird, kann
erreicht werden, indem ein halbdurchlässiger Spiegel verwendet wird,
um ungefähr
die Hälfte
durchzulassen, und die Hälfte
jeweils des ersten und des zweiten Laserstrahls zu reflektieren,
um den dritten und den vierten Laserstrahl zu erzeugen. Ein weiterer
Schritt beinhaltet das Polarisieren des vierten Laserstrahls, so
dass dieser ungefähr P-polarisiert
im Hinblick auf einen Strahlkombinierer ist, wie in Block 350 gezeigt
ist. Ein weiterer Schritt umfasst das Zusammenführen des dritten und des vierten
Laserstrahls mit dem Starhlkombinierer, um einen fünften Laserstrahl
zu erzeugen. Ein Raster- bzw. Abtastspiegel kann in dem optischen
Weg des fünften
Laserstrahls angeordnet und verwendet werden, ein Bild auf einen
Anzeigeschirm in einer Rasterdarstellung zu bilden. Ein SLM kann
anstelle des Rasterspiegels verwendet werden. Das Bild kann bei
einer Frequenz abgetastet werden, die es einem Betrachter ermöglicht,
die Abtastbewegung innerhalb eines gesamten Bildes zu integrieren.
Beispielsweise kann das Bild mit einer Rate von 60 Hz abgetastet
werden. Der Anzeigeschirm kann ein depotarisierender Schirm sein.
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Die
hierin beschriebene Erfindung löst
Probleme des Stands der Technik und stellt eine effiziente Vorrichtung
und ein Verfahren bereit, um visuelle Anomalien von Anzeigebildschirmen
zu reduzieren, wenn Laserprojektoren verwendet werden. Insbesondere
kann die vorliegende Erfindung sowohl Speckel- bzw. Flecken- und
Interferenzmuster in einem Laserprojektor reduzieren, in welchem
ein Laser mit einer relativ langen Kohärenzlänge verwendet wird. Des weiteren
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
Flecken um 85% oder mehr reduzieren, indem ein Hochfrequenzphasenmodulator
eingesetzt wird, um eine optische Weglänge und ein Phasengitter zu
variieren. Die Kombination des Hochfrequenzphasenmodulators mit
dem Phasengitterzerstreuer ermöglicht
eine weitere Fleckenreduzierung gegenüber den konventionell erreichten
Werten im Stand der Technik, wobei auch die Sichtbarkeit von Interferenzmustern,
die im Stand der Technik vorhanden sind, verringert wird.
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Die
zuvor genannten Anordnungen sind anschaulicher Natur in Bezug auf
das Anwenden der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann
erkennt, dass zahlreiche Modifizierungen durchgeführt werden
können,
ohne von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung abzuweichen,
wie sie in den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung stellt ein System und ein Verfahren bereit, um Laserflecken
und Interferenzmuster in einer Laserprojektoranzeige zu reduzieren,
wenn ein Laserprojektor mit einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) mit
einer definierten Pixelrate verwendet wird. Das Verfahren umfasst
das Polarisieren eines Laserausgangsstrahls 104 eines Lasers
mit kontinuierlicher Betriebsweise 102, derart, dass der
Laserausgangsstrahl S-polarisiert ist in Bezug auf einen Strahlkombinierer 140.
Der S-polarisierte Laserausgangsstrahl 108 wird nen ersten
Laserstrahl 112 und einen zweiten Laserstrahl 116 aufgespalten.
Eine Phase des zweiten Laserstrahls 116 wird mit einer
Amplitude, die ausreicht, um eine Phasenverzögerung von ungefähr der halben
Wellenlänge
des Laserausgangsstrahls 104 zu erzeugen, und mit einer
Frequenz von mindestens dem Zweifachen der Pixelrates des SLM moduliert
